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Dokumentenidentifikation DE19536563A1 03.04.1997
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien
Anmelder Reifenhäuser GmbH & Co Maschinenfabrik, 53844 Troisdorf, DE
Erfinder Berghaus, Ulrich, Dr., 53757 Sankt Augustin, DE;
Reifenhäuser, Hans, 53840 Troisdorf, DE;
Keller, Hans, 53840 Troisdorf, DE;
Wirtz, Robert, 53844 Troisdorf, DE
Vertreter Müller-Gerbes, M., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 53225 Bonn
DE-Anmeldedatum 02.10.1995
DE-Aktenzeichen 19536563
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B29C 44/50
IPC-Nebenklasse B29D 7/01   
IPC additional class // B29K 23:00  
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven in einem Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone und mit Austrittsdüse erwärmt und aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben und nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur gekühlt wird und danach unter Aufschäumen aus der Düse austritt, nachfolgend gekühlt wird, wobei das Aufschmelzen des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen begasten schäumfähigen Polymerschmelze in einem Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 (D = Schneckendurchmesser) mit gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt wird und das physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und in der sich an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer zu einer schäumfähigen Polymerschmelze ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven in einem Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone und mit Austrittsdüse erwärmt und aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben und nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur gekühlt wird und danach unter Aufschäumen aus der Düse gegebenenfalls als Schlauch austritt, und der Schlauch nachfolgend innenseitig und außenseitig gekühlt wird und anschließend der Schlauch in Längsrichtung zur Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen und ggf. aufgewickelt wird.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind bekannt.

Beispielsweise beschreibt die EP 0 570 221 A2 ein solches Verfahren zum Herstellen einer Schaumfolie aus Polypropylen mittels eines Tandem-Extruders, welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven in dem ersten Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone und einer Mischzone gemischt und aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel unter hohem Druck mittels einer - 5000 pounds = 2250 kg - Hochdruckpumpe zugegeben wird und nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur in dem zweiten Extruder gekühlt wird und danach unter Aufschäumen aus einer ringförmigen Düse als Schlauch austritt, und der Schlauch nachfolgend innenseitig und außenseitig gekühlt wird und anschließend der Schlauch in Längsrichtung zur Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen und ggf. aufgewickelt wird.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der Einsatz von zwei Extrudern in der sogenannten Tandemanordnung, bei dem der erste Extruder zum Aufschmelzen des Polymers und dem Vermischen mit dem Treibmittel und der zweite Extruder zum Kühlen der schäumfähigen Schmelze auf eine für das Aufschäumen beim Austritt aus der Ringdüse geeignete Temperatur verwendet wird. Derartige Tandemextruder sind einerseits besonders aufwendig und teuer, andererseits ist ihre Leistungsfähigkeit gemessen an den Anlagenkosten zu gering, um wirtschaftlich geschäumte Folien, beispielsweise für Verpackungen herstellen zu können. Auch erscheint die Qualität der erhaltenen geschäumten Folie verbesserungswürdig, da die erhaltenen Zelldurchmesser relativ groß und die Oberfläche der Folie zu uneben ist, um beispielsweise ein Bedrucken der Oberfläche zu gestatten. Desweiteren muß das Treibmittel, um genügend kleine Zellen zu erhalten, unter hohem Druck von 100 bar und mehr mittels Hochdruckpumpen, die eine Leistung von mehr als 300 bar (5000 pounds of pressure) aufweisen, eingebracht werden.

Die EP 0 520 028 B1 beschreibt die Herstellung einer geschäumten Folie aus ausgewählten HMS-Polypropylenen unter Verwendung von zwei Extrudern wiederum in Tandemanordnung. Zur Erzielung bestimmter Funktionen der erhaltenen Folie, wie etwa Gasdichtigkeit o. ä., kann die geschäumte Folie mit einer oder mehreren Funktionsschichten beschichtet werden, wobei dieses sowohl durch eine entsprechende Düse während der Herstellung der geschäumten Folie als auch durch Laminieren der geschäumten Folie nach deren Herstellung mit einer separat zugeführten Funktionsschicht erfolgen kann. Nachteilig ist auch hier die Arbeitsweise der Tandemextruder mit hohen Drücken über 120 bar und der relativ geringe Durchsatz von 50 bis 50 kg/h, um geschäumte Polyolefinfolien ausgewählter HMS-Polypropylentypen mit hoher Steifigkeit zu erhalten.

Die GB 1,400,494 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Bahnen aus einem Polymer, wie Polypropylen, durch Extrusion des Polymers zusammen mit einem physikalischen Treibmittel, wie Kohlenwasserstoffen, aus einer ringförmigen Düse, bei dem die diese verlassende Bahn in einem außenseitig und innenseitig gekühlten Ringspalt aufschäumt. Die erhaltene geschäumte Bahn weist eine ungleichmäßige Zellstruktur mit lederartigen Außenhäuten auf und ist im Innern so stark aufgeschäumt, daß sie leicht zu zwei Teilen mit je einer glatten Außenhaut auseinandergerissen werden kann, wobei sich an der Rißfläche eine samtähnliche Struktur bildet. Derartige Bahnen sind somit nur für ganz spezielle Einsatzbereiche, bei denen es auf diese samtähnliche Oberfläche ankommt, geeignet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, zu schaffen, die eine besonders gleichmäßige und feinzellige Schäumstruktur aufweisen und sich daher besonders für die Weiterverarbeitung durch Thermoformen, wie Tiefziehen, Vakuumformen eignen. Die bekannten Verfahren sollen auch in ihrem Aufbau vereinfacht und eine erhöhte Leistung als bisher möglich soll erreicht werden, um die Herstellung derartiger geschäumter Folien wirtschaftlicher zu machen.

Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich durch die Merkmale des Anspruches 18 aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, vorgeschlagen, bei dem das Aufschmelzen des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen begasten schäumfähigen Polymerschmelze in einem Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 D (D = Schneckendurchmesser) mit gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt wird und das physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und in der, sich an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer zu einer schäumfähigen Polymerschmelze homogenisiert wird.

Die Erfindung lehrt, daß bei Einsatz eines derartigen Doppelschneckenextruders mit gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken und Begasen mit Treibmittel bei sehr geringen Drücken eine geschäumte Folie erhalten wird, die besonders gleichmäßig und feinzellig aufgeschäumt ist und die bereits eine relativ gute glatte und ebene Oberfläche aufweist, die der Folie einen angenehmen Griff verleiht und gegebenenfalls ein Bedrucken dieser Oberfläche nach den bekannten Verfahren ermöglicht.

Der erfindungsgemäß vorgeschlagene Doppelschneckenextruder stellt eine wesentlich einfacheren Aufbau als der zweier Extruder in Tandemanordnung, wie es der Stand der Technik ist, dar, und reduziert somit die Anlagenkosten.

Weiterhin herrscht im Innern der Mischzone des erfindungsgemäß eingesetzten und gestalteten Doppelschneckenextruders, in die das physikalische Treibmittel eingeleitet wird, im Gegensatz zum Tandemextruder ein besonders niedriger Druck unter 20 bar, bevorzugt unter 15 bar, so daß das Treibmittel mit niedrigem Druck unter 20 bar, vorzugsweise unter 15 bar bis unter 10 bar, wie etwa 3 bis 8 bar eingeleitet wird und auch die Fördereinrichtung zum Zuführen des physikalischen Treibmittels beim erfindungsgemäßen Verfahren nur diesen geringen Druck aufbringen muß. Auf teure und verschleißanfällige Hochdruckpumpanlagen für die ansonsten üblichen Drücke weit über 100 bar kann somit beim erfindungsgemäßen Verfahren verzichtet werden.

Überraschend zeigt es sich, daß trotz des Einmischens des Treibmittels in die Mischzone bei relativ niedrigem Druck eine gute Homogenisierung erfolgt und Folien mit einer ausgezeichneten Aufschäumung und Feinzelligkeit und glatten Oberfläche erhalten werden. Erfindungsgemäß wird dies durch die besonders intensive Mischung von Polymer, Nukleierungsmittel und physikalischem Treibmittel infolge der Homogenisierung und Einmischung des Treibmittels mit gleichsinnig rotierenden Doppelschnecken erreicht.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird der Doppelschneckenextruder mit einer solchen Menge an Polymer gespeist, daß dieser unterfüttert betrieben wird. Dadurch kann die Vermischung des Polymers mit dem Nukleierungsmittel und dem physikalischen Treibmittel intensiviert und somit ein noch besseres Folienergebnis erzielt werden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung können Doppelschneckenextruder mit Schneckendurchmessern von 40 bis 130 mm, bevorzugt 65 bis 125 mm eingesetzt werden. Die Einzugs- und Plastifizierzone wird in einer etwa 10 bis 15 D (D=Schneckendurchmesser des Extruders) entsprechenden Länge ausgeführt, um ein vollständiges Schmelzen des mit dem Nukleierungsmittel versehenen Polymers zu gewährleisten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch die besonders intensiven Mischungsvorgänge im Doppelschneckenextruder, die spezielle Mischzone, in der das physikalische Treibmittel in die Polymerschmelze eingeleitet wird, sehr kurz, nämlich etwa 3 bis 6 D auszuführen und dennoch die besonders feinzellige Struktur und gute Oberflächenqualität der geschäumten Folie zu erhalten. An diese Mischzone schließt sich bei einer Gesamtlänge von etwa 30 bis 42 D des Doppelschneckenextruders ein genügend langer Abschnitt an, ausgeführt als Kühlzone, um die schäumfähige Polymerschmelze beim Homogenisieren auf eine für das Aufschäumen beim Austritt aus dem Extruder bzw. der Düse geeignete Temperatur zu temperieren.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird das Polymer in der Einzugs- und Plastifizierzone auf Temperaturen von 190 bis 220°C erwärmt, wobei es plastifiziert wird und nachfolgend das physikalische Treibmittel am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone in der Mischzone in die Polymerschmelze zur Bildung eines schäumfähigen Polymers eingeleitet wird. Die so begaste Polymerschmelze wird nachfolgend in der Mischzone und Kühlzone gut durchgemischt, homogenisiert, wobei die beim Durchlaufen der Kühlzone bis zu ihrem Austritt aus der Düse auf einem Temperaturniveau gehalten - gekühlt - wird, das eine Austrittstemperatur der begasten Polymerschmelze aus der Düse von etwa 175 bis 195°C ermöglicht.

Besonders gute Ergebnisse bei der Herstellung von geschäumten Folien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden erzielt, wenn als Polymer ein Polypropylen mit hoher Schmelzefestigkeit, üblicherweise als HMS-Polypropylen bezeichnet, verwendet wird, welches einen MFI (230°C; 2,16) von 3 bis 7 g/10 min und eine Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm² aufweist. Ein derartiges HMS-Polypropylen ist beispielsweise von der Firma Himont unter der Bezeichnung Himont PF 814 im Handel erhältlich und beispielsweise in den US-PS 4,916,198, US-PS 5,047,446 und 5,047,485 beschrieben. Ein derartiges HMS-Polypropylen kann allein oder in Abmischung mit weiteren Polyolefinen für die Herstellung geschäumter Folien gemäß der Erfindung verwendet werden. Derartige HMS-Polypropylene sind auf Grund ihrer erhöhten Schmelzefestigkeit schwer zu verarbeiten. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine wirtschaftliche Verarbeitung solcher HMS-Polypropylene, insbesondere für die Herstellung von steifen, selbsttragenden Schaumfolien, die nachfolgend auch einer Thermoverformung unterzogen werden können.

Vorteilhaft werden dem Polymer bereits bei der Zuführung zum erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruder Nukleierungsmittel beigegeben, um das spätere Aufschäumen zu erleichtern. Derartige Nukleierungsmittel können anorganische Nukleierungsmittel wie Talkum, Kieselsäure, Kaolin und/oder Carbonate und Sulfate, bevorzugt von Erdalkalimetallen, wie Natriumbicarbonat, Metalloxide, wie Titandioxid, Antimontrioxid und/oder organische Verbindungen, wie Zitronensäure sein. Hierbei werden handelsübliche Mischungen von Natriumbicarbonat und Zitronensäure gerne eingesetzt.

Als physikalische Treibmittel können insbesondere (Iso)Pentan, (Iso)Butan, Kohlendioxid oder Stickstoff eingesetzt werden, wobei es auch möglich ist, Mischungen derselben zu verwenden. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene geschäumte Folie kann in ihren Eigenschaften, wie Feinzelligkeit, Dichte, Dicke etc. durch den Einsatz von mehreren, insbesondere zwei verschiedenen Treibmitteln beeinflußt werden. Vorteilhaft werden diese der Polymerschmelze getrennt und unmittelbar nacheinander am Ende der Einzugs- und Plastifizierzone des erfindungsgemäßen Doppelschneckenextruders zugeführt. Es ist bevorzugt, das Treibmittel bei möglichst geringem Druck zuzumischen, bevorzugt sind hierbei Drücke unter 12 bar.

Es wurde gefunden, daß bei Einsatz von (Iso)Butan als einzigem Treibmittel ein sehr feinzelliger gleichmäßiger Schaum geringer Dichte unter 0,4 g/cm³, vorzugsweise unter 0,32 g/cm³ auch mit einem hohen Aufblasverhältnis bis zu 1 : 3 erhalten werden kann.

Bei Einsatz von (Iso)Pentan wird insbesondere ein sehr feinzelliger Schaumstoff höherer Dichten über 0,3 g/cm³ bei geringem Aufblasverhältnis oder bevorzugt ohne Aufblasen der extrudierten Folien erhalten.

Bei Einsatz von 100% Kohlendioxid als Treibmittel wird ein gleichmäßiger feinzelliger Schaumstoff erhalten, dessen feine Zellen jedoch größer im Mittel sind als die bei Einsatz von Pentan oder Butan.

Der Einsatz von Kohlendioxid als Treibmittel hat insbesondere fertigungstechnische Vorteile in bezug auf die Anlagentechnik, da infolge der Unbrennbarkeit des Kohlendioxids die Sicherheitsmaßnahmen im Betrieb, die für die leichtbrennbaren Treibmittel Pentan und Butan erforderlich sind, entfallen können. Dieses ist ein ganz wesentlicher wirtschaftlicher Vorteil für die Fabrikationsanlagen.

Nach einem Vorschlag der Erfindung ist es bevorzugt, eine Abmischung von Butan und Kohlendioxid als Treibmittel einzusetzen. Bevorzugt werden hierbei mindestens 50 Gew.-% Butan eingesetzt, wobei die Anteile an Kohlendioxid zwischen 50 bis 10 Gew.-% variieren. Mit solchen Mischungen werden sehr feinzellige Schaumstoffe bei geringer Dichte mit einem großen Aufblasverhältnis erhalten, die nicht kollabieren.

Zur Herstellung einer geschäumten Folie wird das schäumfähige Polymer bevorzugt aus einer ringförmigen Düse extrudiert und der derart gebildete rohrförmige Schlauch wird nach seinem Austreten aus der Düse innen- und/oder außenseitig mit Kühlluft beaufschlagt. Diese Beaufschlagung kann beispielsweise durch Anblasen erfolgen. Auch ist es möglich, den rohrförmigen Schlauch mittels entsprechender, an der Düse angebrachter Kühlringe insbesondere innenseitig mittels Kontaktkühlung zu kühlen.

Weiterhin kann die aus der ringförmigen Düse austretende geschäumte Folie zur Längs- und Querversteckung innenseitig mit Druckluft beaufschlagt werden, so daß die geschäumte Folie von innen aufgeblasen wird und der Durchmesser des rohrförmigen Schlauchs vergrößert wird und der rohrförmige Schlauch gereckt wird. Der derart aufgeblasene Schlauch wird nachfolgend über einen Kühlring geführt, der mittels Kontaktkühlung den rohrförmigen Schlauch weiter abkühlt und diesen in seinem Durchmesser kalibriert.

Der Kühlring wird vorzugsweise von einem Temperiergerät mittels den Kühlring durchströmenden Wassers auf einer geeigneten Temperatur gehalten. Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare Aufblasverhältnis, d. h. das Verhältnis vom Durchmesser der Austrittsöffnung des Schlauchs aus der ringförmigen Düse zum Kühlringdurchmesser beträgt etwa 1 : 1 bis 1 : 3, vorzugsweise bis zu 1 : 2,2.

Nachdem der geschäumte Schlauch über den Kühlring geführt worden ist, ist er so weit abgekühlt, etwa auf Temperaturen von 140 bis 160°C, daß er zur Bildung einer flachen Folienbahn entlang seiner Längserstreckung kontinuierlich aufgeschnitten werden kann. Auch ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, den Schlauch an zwei, vorzugsweise einander gegenüberliegenden Bereichen aufzuschneiden, so daß 2 Folienbahnen gebildet werden. Das Aufschneiden erfolgt noch in einem soweit erwärmten Zustand der Folienbahn, der ein nachfolgendes Flachlegen zu einer ebenen Bahn ohne Wellen ermöglicht.

Die derart gebildeten Folienbahnen werden kontinuierlich von einer Abzugseinrichtung abgezogen und können entweder aufgewickelt oder inline einer Weiterverarbeitung, wie einer Laminierstation oder Tiefziehstation, zugeführt werden. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, die Folienbahnen beim Abziehen in Längsrichtung nach dem Aufschneiden der Folienbahn nochmals bis um das Vierfache zu recken, etwa durch eine in geeigneter Weise erhöhte Abzugsgeschwindigkeit. Durch diese Reckung kann die Oberfläche der geschäumten Folienbahn weiter verbessert werden und Faltenbildung vermieden werden. Insbesondere zeichnet sich die erfindungsgemäß hergestellte geschäumte Polypropylenfolie durch einen angenehmen körperfreundlichen Griff aus, d. h. einen hohen Berührungskomfort durch Glätte und Weichheit.

Derartige geschäumte Folien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren weisen vorteilhaft Dichten von etwa 0,2 bis 0,5 g/cm³, vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,4 g/cm³ auf, bestehen aus überwiegend geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit einem durchschnittlichen Zelldurchmesser von 0,05 bis 0,35 mm und sind in Dicken von etwa 0,1 bis 10 mm herstellbar. Auf Grund der eingesetzten HMS-Polypropylene erhält man steife, selbsttragende geschäumte Folien, die gegenüber kompakten Folien aus dem gleichen Material den Vorteil des geringeren Flächengewichtes, des höheren Komforts sowie Isoliereigenschaften in bezug auf Kälte/Wärme aufweisen.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte geschäumte Folie eignet sich hervorragend zur Weiterverarbeitung durch Thermoformen, so ist sie z. B. zum Tiefziehen von Lebensmittelverpackungen, wie Fleischschalen, Eisbechern, etc. geeignet. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte geschäumte Folie, etwa aus HMS-Polypropylen, kann unmittelbar mit einer geeigneten funktionalen Schicht, etwa einer ein- oder mehrschichtigen kompakten, d. h. ungeschäumten Folie, ein- oder beidseitig laminiert werden. Eine derartige kompakte Folie kann dann beispielsweise eine Schicht, die gas- und flüssigkeitsdicht ist, etwa eine EVOH-Schicht für Lebensmittelverpackungen aufweisen. Des weiteren ist die erfindungsgemäß geschäumte Polypropylenfolie für den Einsatz in Schichtstoffen mit Isoliereigenschaften, Verkleidungsteilen im Kfz-Bau und Bauwesen hervorragend geeignet.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird überdies vorgeschlagen, daß die begaste schäumfähige Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse vor dem Austritt aus der Düse mit mindestens einem kompakten Material beschichtet wird. Auf diese Weise ist es möglich, gänzlich auf ein Laminieren der geschäumten Folienbahn nach deren Bildung zu verzichten, wodurch ein Verfahrensschritt eingespart und das Verfahren vereinfacht wird. Überdies ist es bei einer im Innern der ringförmigen Düse erfolgenden Beschichtung möglich, verschiedene Beschichtungsvarianten schnell umzustellen, da keine speziell aufgebaute Laminierfolie bereitgestellt werden muß.

Weiterhin bietet der erfindungsgemäße Doppelschneckenextruder bei der Extrusion von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, eine besonders hohe Leistung, die ab einem Schneckendurchmesser von 65 mm schon bei 130 kg/h bei Schneckendurchmessern über 120 mm sogar über 800 kg/h liegt. Ein bevorzugter Leistungsbereich liegt etwa bei 250 bis 350 kg/h, wenn Doppelschneckenextruder mit einem Schneckendurchmesser D im Bereich von 80 bis 90 mm eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens in schematisierter Darstellung.

Fig. 2 eine Seitenansicht des Doppelschneckenextruders in vergrößerter Darstellung gemäß Fig. 1.

Wie in der Fig. 1 dargestellt, umfaßt die Vorrichtung zur Herstellung geschäumter Folien aus Polypropylen einen Doppelschneckenextruder 1 mit einem Zylinder mit innenliegenden gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken, an dessen Austrittsende eine bevorzugt ringförmige Düse 12 befestigt ist. Der Doppelschneckenextruder 1 wird von dem Antrieb 2 angetrieben.

Das zur Herstellung der geschäumten Folie verwendete Polymer, beispielsweise ein HMS-Polypropylen, wird aus einem Silo 13 über eine Förderleitung E2 zu einer Dosiervorrichtung 3gefördert, in der es mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven vermischt wird. Von der Dosiervorrichtung 3 gelangt dieses Gemisch über die Einzugsöffnung 11 im Zylinder in den Doppelschneckenextruder 1.

Wie auch aus der Fig. 2 ersichtlich, erstreckt sich von der Einzugsöffnung 11 des Doppelschneckenextruders eine Einzugs- und Plastifizierzone in Arbeitsrichtung A des Doppelschneckenextruders 1, die eine Länge L1 von etwa 10 bis 15 D aufweist. In dieser Einzugs- und Plastifizierzone wird das Polymer auf Temperaturen von etwa 190 bis 210°C erwärmt und aufgeschmolzen und ist am Ende der Einzugs- und Plastfizierzone vollständig plastifiziert.

Am Ende der Einzugs- und Plastifizierzone wird das physikalische Treibmittel, welches von einer Fördereinrichtung 4 über eine Leitung El zugeführt wird, über eine Öffnung 10 im Zylinder des Doppelschneckenextruders 1 in die Polymerschmelze eingeleitet. Die derart begaste Polymerschmelze wird nachfolgend in der sich an die Öffnung 10 anschließende Mischzone M des Doppelschneckenextruders, die eine Länge von etwa 3 bis 6 D aufweist, von den gleichsinnig rotierenden Schnecken des Doppelschneckenextruders 1 intensiv durchgemischt, so daß eine schäumfähige Polymerschmelze mit besonders gleichmäßiger und feiner Verteilung des Treibmittels erhalten wird.

In der sich an die Mischzone M anschließenden Kühlzone K des Doppelschneckenextruders 1 wird die schäumfähige Schmelze weiter homogenisiert und gemischt, wobei sie jedoch auf eine für das Austreten aus der Düse geeignete Temperatur durch entsprechende Kühlung des Zylinders der Doppelschnecke in der Kühlzone temperiert wird, d. h. auf eine Temperatur von etwa 175 bis 195°C bei ihrem Austritt aus der ringförmigen Düse 12. Die Gesamtlänge L des Doppelschneckenextruders beträgt vorzugsweise 30 bis 42 D, wobei D im Bereich von 50 bis 100 mm bevorzugt gewählt ist.

Die schäumfähige Schmelze tritt aus der ringförmigen Düse 12 als rohrförmiger Schlauch S aus und wird außenseitig von einem Kühlring 5 durch Anblasen mittels Kühlluft von Umgebungstemperatur ca. 14-16°C gekühlt.

Gleichzeitig wird der Schlauch S von der gemäß Pfeil B herangeführten und entgegen der Austrittsrichtung des Schlauches S in dessen Innenraum eingeblasenen Druckluft aufgeblasen, d. h. sein Durchmesser vergrößert sich. Nachfolgend wird der Schlauch S mit seinem vergrößerten Durchmesser über einen Kühldorn 6 gezogen. Der Kühldorn 6 wird über ein Temperiergerät mit einem Kühlmedium durchströmt, so daß der Schlauch S eine weitere innenseitige Abkühlung durch Kontakt mit dem Kühldorn 6 erfährt. Das Aufblasverhältnis, d. h. der Durchmesser der Austrittsöffnung des Schlauches S aus der ringförmigen Düse 12 zu dem des Kühldorns 6, beträgt etwa 1 : 1 bis 1 : 3.

Nach der weiteren Abkühlung des Schlauches S an den Außenflächen des Kühlringes 6 weist der Schlauch S eine Temperatur von etwa 135 bis 160°C auf und ist so verfestigt, daß er von einer Schneideinrichtung 8, beispielsweise Messern, an zwei gegenüberliegenden Bereichen in Längsrichtung aufgeschnitten werden kann. Dabei bilden sich aus dem Schlauch S zwei Folienbahnen 9a, b, die infolge ihrer Wärme nachfolgend problemlos flachgelegt und von einer mehrere Abzugsrollen enthaltenden Abzugseinrichtung 7 abgezogen werden. Von dort können die flachgelegten Folienbahnen in nicht dargestellter Weise entweder aufgewickelt oder inline einer Weiterverarbeitungsvorrichtung, wie einer Laminiereinrichtung zum Beschichten der geschäumten Folie mit einer Kompaktfolie oder einer Tiefziehstation, zugeführt werden.

Durch geeignete Wahl der Abzugsgeschwindigkeit der Abzugseinrichtung 7 ist es überdies möglich, die noch nicht erstarrten noch auf einer Temperatur von 135 bis 160°C befindlichen Folienbahnen 9a, b in Längserstreckung bis um das Vierfache, d. h. im Verhältnis 1 : 1 bis 1 : 4 zu recken.

Zur Herstellung von geschäumten Folien, die mit einer kompakten Folie beschichtet sein sollen, wie es etwa für Lebensmittelverpackungen erforderlich sein kann, kann überdies die ringförmige Düse 12 als Koextrusionsdüse ausgeführt sein, um bereits die begaste Polymerschmelze vor ihrem Austritt aus der Düse 12 mit mindestens einem kompakten Material zu beschichten, wobei für die Zuführung jedes kompakten Materials vorteilhaft jeweils ein weiterer, sogenannter Co-Extruder verwendet wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Vorrichtung ist es möglich, geschäumte Folien auf Basis von Polypropylen, insbesondere enthaltend HMS-Polypropylen, herzustellen, die über eine besonders gleichmäßige und feinzellige Struktur verfügen und sehr gut thermoverformbar sind, was nachfolgend an einem Beispiel ersichtlich ist.

Beispiel

Ein Doppelschneckenextruder mit zwei gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken von je 85 mm Durchmesser (D) wurde bei einer Schneckendrehzahl von 47 min-1 mit einem HMS-Polypropylen (Himont PF 814) in einem Anteil von 98,6 Gew.-% vermischt mit 0,8 Gew.-% Talkum und 0,4 Gew.-% Hydrocerol® der Firma Boehringer Ingelheim KG (Natriumbicarbonat und Zitronensäure), aus einer Dosiervorrichtung mit etwa 250 kg/h gespeist.

Innerhalb der 15 D langen und auf 220-240°C beheizten Einzugs- und Plastifizierzone wurde das Polymer vollständig plastifiziert. Am Ende dieser Einzugs- und Plastifizierzone wurden 0,2 Gew.-% Butan als physikalisches Treibmittel mit einem Druck von 7 bar in die Polymerschmelze eingeleitet und diese begaste Polymerschmelze in der 4 D langen Mischzone gemischt.

Nachfolgend wurde die begaste Polymerschmelze beim weiteren Durchmischen auf eine Austrittstemperatur von etwa 190°C in der 14 D langen Kühlzone bis zum Austritt aus der Düse temperiert. Der aus der Düse durch eine ringförmige Austrittsöffnung von 220 mm Durchmesser austretende aufschäumende Schlauch wurde im Verhältnis 1 : 2,2 aufgeblasen mit Druckluft von 15°C und nachfolgend über einen von einem auf 140°C eingestellten Temperiergerät geregelten Kühldorn mit einem Durchmesser von 488 mm gezogen, wobei der Schlauch beim Aufblasen außenseitig mittels Kühlluft von 15°C beaufschlagt wurde. Nach erfolgter Abkühlung auf eine Temperatur von etwa 140 bis 150°C wurde der Schlauch aus geschäumtem HMS-Polypropylen zu Folienbahnen aufgeschnitten, die kontinuierlich mit einer Abzugsgeschwindigkeit von 5,4 m/min. flach und eben gelegt wurden, und die folgende Eigenschaften aufwiesen:

Dicke der Folie 2100 µm Dichte der Folie 0,39 g/cm³ durchschnittlicher Zellendurchmesser 0,08 mm


Insgesamt wurde die extrudierte Schaumfolie dabei in Längserstreckung um das Zweifache verstreckt.

Diese Folie besaß eine sehr glatte Oberfläche, die ein einfaches Bedrucken ermöglichte, und ausgezeichnete Tiefzieheigenschaften.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer vermischt wird und das Polymer zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven in einem Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone und mit Austrittsdüse erwärmt und aufgeschmolzen wird, und der Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben und nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur gekühlt wird und danach unter Aufschäumen aus der Düse gegebenenfalls als Schlauch austritt, und nachfolgend innenseitig und außenseitig gekühlt wird und anschließend der Schlauch in Längsrichtung zur Bildung einer flachen Folie aufgeschnitten und abgezogen und ggf. aufgewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen begasten schäumfähigen Polymerschmelze in einem Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 D (D = Schneckendurchmesser) mit gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken durchgeführt wird und das physikalische Treibmittel mit einem Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer geleitet wird und in der, sich an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer zu einer schäumfähigen Polymerschmelze homogenisiert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Doppelschneckenextruder mit einer solchen Menge an Polymer gespeist wird, daß dieser unterfüttert betrieben wird.
  3. 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Polymer enthaltend Propylen ein HMS-Polypropylen mit einem MFI (230°C; 2,16) von 3 bis 7 g/10 min und einer Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm² allein oder in Abmischung mit einem oder mehreren Polyolefinen eingesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als physikalisches Treibmittel (Iso)Pentan, (Iso)Butan, Kohlendioxid oder Stickstoff oder Mischungen hiervon eingesetzt werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz von zwei oder mehr verschiedenen Treibmitteln diese der Polymerschmelze getrennt und unmittelbar nacheinander zugeführt werden.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibmittel (Iso)Butan und Kohlendioxid zugeführt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Nukleierungsmittel Talkum, Zitronensäure, Natriumbicarbonat, Siliziumdioxid, Titandioxid oder Abmischungen hiervon eingesetzt werden.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumfolien einer Dichte von 0,2 bis 0,5 g/cm³, vorzugsweise 0,25 bis 0,4 g/cm³ hergestellt werden.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumfolien mit überwiegend geschlossenen, feinen und gleichmäßigen Zellen mit einem durchschnittlichen Zellendurchmesser von 0,05 bis 0,35 mm hergestellt werden.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Schaumfolien einer Dicke von 0,1 bis 10 mm hergestellt werden.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufschmelzen des Polymers in der Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders bei Temperaturen des Polymers von 190 bis 220°C erfolgt und die Polymerschmelze nach Zugabe des Treibmittels beim Durchlaufen der Kühlzone maximal auf diesem Temperaturniveau gehalten wird und die begaste schäumfähige Polymerschmelze mit einer Temperatur von 175 bis 195°C aus der ringförmigen Düse austritt.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der ringförmigen Düse austretende Schlauch innen- und/oder außenseitig mit Kühlluft und innen mit Druck beaufschlagt wird, um ein Aufblasverhältnis von 1 : 1 bis 1 : 3, vorzugsweise bis 1 : 2,2 zu erzielen und nach dem Aufblasen der Schlauch innenseitig mittels eines Kühldorns kalibriert und kontaktgekühlt wird.
  13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Düse austretende rohrförmige Schlauch unmittelbar anschließend innen- und/oder außenseitig über einen Kühlring zur Kontaktkühlung geführt ist.
  14. 14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Schlauch beim Abziehen von der Düse in Längserstreckung bis um den Faktor 4 gereckt wird.
  15. 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die begaste schäumfähige Polymerschmelze innerhalb der ringförmigen Düse vor Austritt aus der Düse mit mindestens einem kompakten (nicht geschäumten) Material beschichtet wird.
  16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch auf eine Temperatur von 135 bis 155°C gekühlt und in diesem Zustand aufgeschnitten und flachgelegt wird.
  17. 17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Aufschneiden des Schlauches die flachgelegte Folienbahn mit einer ein- oder mehrschichtigen kompakten Folie ein- oder beidseitig laminiert wird.
  18. 18. Vorrichtung zur Herstellung von geschäumten Folien aus einem Polymer, enthaltend Propylen, welches mit einem physikalischen Treibmittel und einem Nukleierungsmittel zu einem schäumfähigen Polymer vermischt wird, enthaltend einen Extruder mit einer Einzugs- und Plastifizierzone, Mischzone und Kühlzone, in dem das Polymer zusammen mit dem Nukleierungsmittel und ggf. weiteren Additiven aufgeschmolzen wird und der Polymerschmelze das Treibmittel unter Druck zugegeben und nachfolgend die begaste Polymerschmelze auf eine zum Aufschäumen geeignete Temperatur gekühlt wird, eine Fördereinrichtung zum Zuführen des physikalische Treibmittels in den Extruder, eine ringförmige Düse, die am Austrittsende des Extruders angeordnet ist, um die schäumfähige Polymerschmelze zu einem aufgeschäumten rohrförmigen Schlauch zu formen, mindestens einen Kühldorn, über den der aufgeschäumte rohrförmige Schlauch gezogen wird und mittels Anblasen mit Kühlluft gekühlt wird, eine Schneideinrichtung zum Aufschneiden des Schlauchs in Längsrichtung zur Bildung einer geschäumten Folienbahn und eine Abzugseinrichtung zum Abziehen und ggf. Aufwickeln der geschäumten Folie, dadurch gekennzeichnet, daß als Extruder zum Aufschmelzen des Polymers, Mischen der Polymerschmelze mit dem physikalischen Treibmittel und Kühlen der so erhaltenen schäumfähigen Polymerschmelze ein Doppelschneckenextruder einer Länge von 30 bis 42 D mit gleichen und gleichsinnig rotierenden parallelen Schnecken vorgesehen ist und das physikalische Treibmittel von der Fördereinrichtung mit einem Druck kleiner 20 bar am Ende der etwa 10 bis 15 D langen Einzugs- und Plastifizierzone des Doppelschneckenextruders in das aufgeschmolzene (plastifizierte) Polymer einleitbar ist und in der, sich an die Einzugs- und Plastifizierzone anschließenden Mischzone mit einer 3 bis 6 D entsprechenden Länge des Doppelschneckenextruders mit dem aufgeschmolzenen Polymer zu einer schäumfähigen Polymerschmelze vermischbar ist.
  19. 19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß als ringförmige Düse eine Koextrusionsdüse zum Beschichten der begasten Polymerschmelze innerhalb der Düse mit mindestens einem kompakten (nicht geschäumten) Material vorgesehen ist, wobei für die Zuführung jedes kompakten Materials in die Koextrusionsdüse jeweils ein weiterer Extruder vorgesehen ist.
  20. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Düse mit einem daran außen- und/oder innenseitig angeordneten Kühlring zwecks Kontaktkühlung des aus der ringförmigen Düse austretenden rohrförmigen Schlauchs vorgesehen ist.
  21. 21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Doppelschneckenextruder mit einer Länge (L) von 30 bis 42 D mit einer Einzugs- und Plastifizierzone einer Länge von 10 bis 15 D und einer Mischzone mit einer Länge von 3 bis 6 D und einer Kühlzone mit einer Länge von 24 bis 10 D für die Verarbeitung von Polypropylen mit hoher Schmelzefestigkeit mit einem MFI (230°C; 2,16) von 3 bis 7 g/10 min und einer Zugfestigkeit von 30 bis 40 N/mm² zu Schaumfolien mit einer Dichte von 0,2 bis 0,5 g/cm³ und einer Dicke von 0,1 bis 10 mm vorgesehen ist.
  22. 22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich von der Einzugs- und Plastifizierzone zur Mischzone zwei Zuführeinrichtungen jeweils mit einem Förderdruck unter 20 bar für Treibmittel vorgesehen sind.






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