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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Rohres aus dem Streifen
einer Folie aus organischem thermoplastischem Kunststoff Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Herstellen eines Rohres aus dem Streifen einer Folie aus organischem
thermoplastischem Kunststoff, insbesondere einem Hart-Vinylchloridpolymerisat bzw.-mischpolymerisat,
wonach die Folie in einem Spannungszustand in mehreren Lagen um einen Dom gewickelt,
die Wicklungen auf dem Dorn miteinander verschweißt und nach dem Erkalten in Form
eines massiven Rohres vom Dorn abgezogen werden.
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Hart-Polyvinylchloridharzrohre werden in weitem Umfange in der verarbeitenden
Industrie dort benutzt, wo es darauf ankommt, daß das Behandlungsmaterial keine
Korrosion oder sonstige Beeinträchtigung erfährt. Rohre verhältnismäßig kleinen
Durchmessers (bis beispielsweise etwa 10 cm Durchmesser) können im Strangpreßverfahren
in den gewünschten, rohrförmigen Querschnitten hergestellt werden. Oberhalb dieser
Abmessung stoßt das Strangpreßverfahren jedoch auf technische Schwierigkeiten ;
außerdem ist es unwirtschaftlich, da diegroBen Formstücke im Vergleich zu den Herstellungskosten
eines beliebigen Rohres großen Durchmessers verhältnismäßig hoch sind. Daher werden
im allgemeinen Rohre aus Polyvinylchloridharzen mit größeren Durchmessern in der
Weise hergestellt, daß starke Platten aus Polyvinylchloridharz in eine zylindrische
Form gebogen und die Naht anschließend verschweißt wird. Dieses Verfahren ist teuer
und befriedigt deswegen nicht, weil die Schweißnaht und die zu beiden Seiten der
Naht in dem Plattenmaterial entstehenden Spannungen die Ursache von Mängeln im fertigen
Rohr sein können. Außerdem entsteht auf diese Weise eine rauhe Oberfläche, die einen
glatten Durchfluß des Materials durch das Rohr verhindert.
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Es ist ferner ein Verfahren zum Herstellen von Rohren aus Folien
bekannt, die aus Polymerisationsprodukten auf der Basis von Vinylchlorid in lösungsmittelfreiem
Zustand bestehen, bei dem die Folien unter Spannung auf einen geheizten Dorn gewickelt
und die Schichten miteinander vereinigt werden.
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Zur Ausübung dieses bekannten Verfahrens wird eine Wickelvorrichtung
benötigt, die eine Einrichtung zum Spannen der Folie während des Wickelvorganges
und eine Heizeinrichtung erfordert. Bei dem bekannten Verfahren wird zwar die zum
Recken der Folie benötigte Wärme gleichzeitig zum Verschweißen der aufgewickelten
Folien ausgenutzt, während bei dem erfindungsgemaßen Verfahren eine gesonderte Wärmebehandlung
durchgeführt wird.
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Von den bekannten Verfahren unterscheidet sich das Verfahren nach
der Erfindung vorteilhaft dadurch, daß die Folie vor dem Wickelvorgang in an sich
bekannter Weise gereckt und die Reckspannung eingefroren wurde, worauf die Folie
nach Beendigung des Aufwickelns zusammen mit dem Dorn, z. B. in einem Ofen, so weit
erhitzt wird, daß die Reckspannung ausgelöst wird und die
Wicklungen unter der Wirkung
der Schrumpfspannung miteinander verschweißt werden.
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Das zweimalige Erhitzen der Folie bedeutet aber keinen Nachteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens, da das Recken in einer Verfahrensstufe erfolgt, bei
der ohnehin in jedem Falle Wärme angewendet werden muß. Diese Stufe des Heißkalandems
kann auf keinen Fall vermieden werden, gleichgültig, ob eine gereckte oder gewöhnliche
Folie hergestellt werden soll, denn auch bei der Herstellung einer gewöhnlichen
Folie ist die Anwendung von Wärme erforderlich, um aus dem zunächst körnigen Vinylchlorid
durch Heißkalandem eine Folie herzustellen.
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Gegenüber dem vorbekannten Verfahren besitzt das Verfahren nach der
Erfindung aber den Vorteil, daß eine einfache Wickelvorrichtung ohne zusätzliche
Einrichtung zum Spannen der Folie während des Aufwickelns genügt und daß diese Wickeleinrichtung
keine Heizvorrichtung benötigt.
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Das Verfahren nach der Erfindung ermöglicht die Herstellung von Rohren
aus Polyvinylchloridharzen mit großem Durchmesser, ohne daß eine Längsschweißnaht
wie bei den nach üblichen Verfahren hergestellten Polyvinylchloridrohren großer
Abmessung gebildet wird.
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Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohre besitzen
eine gleichförmige und glatte Innenwandung.
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Das Verfahren nach der Erfindung ist wirtschaftlich durchführbar
und erfordert nur verhältnismäßig j Werkzeuge und Vorrichtungen.
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Bei einer bevorzugten Ausfiihrungsform des Verfahrens nach der Erfindung
wird auf den Teil der Folie, der beim Wickeln mit dem Dorn in Kontakt kommt, eine
mit der Kunststoff-Folie nicht verschweißende Schicht aufgebracht und nach der Wärmebehandlung
der Folie wieder entfernt. Als Halteschicht kann ein biegsamer Metallstreifen oder
eine nach dem Aufwickeln über die Folienwicklungen zweckmäßig mit Wasser angefeuchtete
Gewebebahn aus Baumwolle oder dergleichen Verwendung finden.
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Vorteilhafterweise wird der Dorn und die auf ihn aufgewickelte Folie
etwa 11, bis 2 Stunden lang der Einwirkung einer Temperatur von etwa 135 bis 163°
C ausgesetzt.
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Der Dorn kann hohl sein und aus mehreren in Richtung auf die Domachse
zusammenklappbaren Teilen bestehen, die in ihrer Betriebsstellung verriegelbar sind.
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Es ist zweckmäßig, daß die in der Längsrichtung der bandartigen Folie
vorhandene Reckspannung bei ihrer Auslösung eine etwa 20 bis 40 °/Oige Schrumpfung
der Folie bewirkt und die Dicke der Folie vor ihrer Verarbeitung etwa 0,25 bis 0,75
mm beträgt.
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Die Erfindung wird nachstehead an Hand der Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 veranschaulicht schematisch die Durchführung des Verfahrens.
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Fig. 2 zeigt schaubildlich einen Dorn, um den eine Kunststoff-Folie
bei Durchführung des Verfahrens herumgewunden wird ; Fig. 3 zeigt den Dorn nach
Fig. 2 mit um ihn herumgewickelter Folie ; Fig. 4 zeigt den Dorn nach Fig. 2 in
Stirnansicht und veranschaulicht, wie über die Folie ein schrumpffähiges Gewebe
herumgewickelt ist ; Fig. 5 zeigt den Dom nach der Behandlung im Ofen in einem rechtwinklig
zur Dornachse geführten Schnitt.
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Fig. 6 zeigt schaubildlich das Abziehen des fertigen Rohres von dem
Dorn.
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Wie aus den Fig. 2 bis 6 zu erkennen ist, wird z. B. eine verhältnismäßig
harte und unplastifizierte Vinylchloridfolie verarbeitet, die in Richtung des Pfeiles
12 eine eingefrorene Reckspannung hat, so daß sie eine thermische Rückstellfähigkeit
besitzt. Diese Spannung muß so groß sein, daß sie nach Aufhebung in der Richtung
parallel zum Pfeil 12 eine Verringerung der Folienabmessung um etwa 20 bis 40 01,
bewirkt. Die Folie 10 wird um einen zylindrischen Dom 14 gewickelt, wobei die Wirkungsrichtung
der Spannung 12 tangential zum Dom geführt wird. Das Aufwickeln wird so lange fortgesetzt,
bis die sich übereinanderlegeaden Windungen 16 die Dicke angenommen haben, die der
Wandstärke des fertigen Rohres (Fig. 3) entspricht. Der Dorn 14 ist zusammenklappbar
ausgebildet und aus diesem Grunde in der Längsrichtung in drei Segmenten 19 aufgespalten,
die durch G-elenke 20 miteinander verbunden sind. Wenn die letzten 25 oder 50 cm
der Folienlänge auf den Dorn aufgewickelt werden, wird das Ende eines schrumpffähigen
Gewebebandes 22, z. B. aus Baumwolle, unter das freie Ende 17 der Folie gelegt (Fig.
4). Beim weiteren Aufwickeln wird das Gewebe 22 mit dem freien Ende der Folie 17
durch Reibwirkung verankert. Das Aufwickeln des Gewebes 22 wird-so lange fortgesetzt,
bis mehrere Lagen übereinander entstehen. Das freie Ende 24 wird dann mittels eines
metallenen Befestigungsgliedes 26 gesichert. Zwischen die äußeren Windungen der
Folie 10 und des Gewebes wird zweckmäßig eine Lage aus Aluminiumfolie oder einem
anderen geschmeidigen Bandmaterial gelegt, um zu verhindern, daß sich das Gewebemuster
auf der äußeren Oberfläche des fertigea Rohres markiert. Das Gewebe 22 wird datin
angefeuchtet, um
seine Schrumpffähigkeit zu erhöhen. Anschließead wird die ganze
Aaordaung in eiaem Ofen auf die Schweißtemperatur des Kunststoffes erwärmt, so daß
sich die einzelnen Windungen 16 der Folie zu einem homogenen zyliadrischen Rohr
28 verschweißen. In diesem fertigen Rohr sind die eirzeln, en Windunger 16 nicht
mehr zu erkennen. Die Wärmebehandlung wird zweckmäßig in der Weise durchgeführt,
daß der Kunststoff durch und durch mindestens 30 Minuten lang Temperaturea von 135
bis 163° C ausgesetzt wird. Die Wärmebehandlung soll nach Möglichkeit die Dauer
von 120 Minuten nicht überschreiten, damit Zerstörungen des Materials vermieden
werden.
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Der Druck, welcher erforderlich ist, um die einzelnen Windungen 16
miteinander zu verschweißen, wird in erster Linie durch das Schrumpfen der rückstellfähigen
Folie 10 erzeugt. Wie erwähnt, besitzt die Folie anfänglich eine eingefrorene, in
Richtung des Pfeiles 12 wirkende Reckspannung, die sich in Umfangsrichtung des Dornes
auswirkt, wenn die einzelnen Windungen 16 auf diesem Dora aufgebaut sind. Bei der
Schweißtemperatur wird das Material so aufgelockert, daß sich die Reckspannung löst
uad die Folie in der Umfangsrichtung des Dornes schrumpft. Durch dieses Schrumpfen
wird der Druck erzeugt, der notwendig ist, um die Schweißung zu bewirken. Auch die
Gewebeschicht 26 schrumpft, und zwar insbesondere dann, wenn sie vor der Wärmebehandlung
angefeuchtet worden war. Auf diese Weise übernimmt die Gewebebahn einen Anteil des
bei dem Verfahren benötigten Druckes.
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Nach der Wärmebehandlung wird das ganze Gebilde aus dem Ofen entfernt
und abgekühlt, und die Gewebewindungen 22 werden abgelöst. Bei diesem Ablösen wird
auch das freie Ende 17 der Folie 10 abgewickelt und abgelöst, da es sich infolge
der Zwischenschaltung des heruntergeschobenen Gewebeendes nicht mit dem Hauptteil
des Rohres 28 verschweißen konnte. Die Dornsegmente 19 werden dann, wie in Fig.
6 veranschaulicht, um ihre Gelenke herum zusammengeklappt und der Dorn dann in der
Längsrichtung aus dem Rohr 28 herausgezogen. Das Rahr28 kann gegebenenfalls an den
Enden bearbeitet werden ; es ist dann für die Beautzung fertig. Das fertige Rohr
weist keine Fehlerstellen auf und ist innen nicht rauh, wie dies sonst an den Stellen
der Schweißnaht der nach bekannten Verfahren hergestellten Kunststoffrohre der Fall
ist. Der Anfang der innersten Windung gleicht sich bei der Wärmebehandlung und infolge
des zur Anwendung kommenden Druckes im wesentlichen aus, so daß an der Innenwand
des Rohres keine nennenswerten Unregelmäßigkeiten vorhanden sind.
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Es leuchtet ein, daß das beschriebene Verfahren gewisse Änderungen
erfahren kann. So kana beispielsweise an Stelle des Domes 14 ein nicht zusammenklappbarer,
jedoch leicht kegelig gestalteter Dorn zur Anwendung kommen, der sich in Längsrichtung
von dem fertigen Rohr leicht trennen läßt. Ferner kann auf das Geweba 22 verzichtet
werden und das freie Ende der Folie 17 auf den Windungea 16 mittels metallener Befestigungsglieder
od. dgl. festgehalten werden. Bei dem in der Zeichnung veranschaulichten Vorgang
wird die Folie 10 rechtwinklig zur Dornachse auf den Dorn gewickelt ; abweichend
hiervon kann die Folie auch in einem Winkel zur Dornachse aufgewickelt werden, so
daß sie sich auf dem Dorn schraubenförmig aufbaut. Werden an Stelle einer einzigen
Folie 10 zwei oder mehrere Folien gleichzeitig aufgewickelt, so geschieht dies zweckmäßig
rechtwinklig zur Dornachse oder in schraubenhnienförmiger Aufwicklung.
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In letzterem Falle empfiehlt es sich, die übereinanderliegenden Folien
in der Langsrichtung des Dornes gestaffelt aufzubringen, so daß auf jeden Fall verhindert
ist,
daß die Nähte der einander überlappenden Folienwindungen zusammenfallen.
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Die Hart-Vinylchloridharzfolie, die z. B. als Ausgangsmaterial zur
Anwendung kommt, wird dadurch erzeugt, daß eine Vinylchloridpolymsrisat durch Heißkalandern
in eine Folie übergeführt wird, und zwar derart, daß in der Folie eine Restspannung
von 20bis40°/o zurackbleibt. Dies wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß der Kalander
bei so niedrigen Temperaturen betrieben wird, daß noch die Erzeugung einer zusammenhängenden
Folie gelingt. Im allgemainen sind für diese Zwecke Temperaturen in der Größenordnung
von 177 bis 188'C geeignet. Anstatt diese Technik der niedrigen Kalandertemperaturen
anzuwenden oder in Kombination hiermit, kann die gewünschte Spannung auch erzeugt,
hervorgerufen oder aufrechterhalten werden dadurch, daß die Folie unter Spannung
gehalten wird noch während sie heiß ist, so daß in gleicher Richtung wirksame Reckspannungen
entstehen. Die langkettigen Moleküle in dem Fertigprodukt werden in erheblichem
Maße in derjenigen Richtung gereckt, in welcher die Folie durch die Kalanderrolle
hindurchtritt. Die Moleküle weisen dann eine eingefrorene Reckspannung in dieser
Richtung auf. Beim Erhitzen auf Schweißtemperatur werden die langkettigen Moleküle
hinreichend beweglich, so daß sie versuchen, diese Spannung wieder aufzuheben, indem
sie eine willkürliche Orientierung einnehmen. Hierbei schrumpft die Folie in Richtung
der Spannung zusammen. Bei der Herstellung der Folie werden die Kalanderwalzen so
eingestellt, daß eine Folie von einer Stärke in der Größenordnung von etwa 0,25
bis 0,76 mm erhalten wird.
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Die Harze, aus denen die Folie hergestellt werden, können harzartige
Polymere von Vinylchlorid oder deren harzartige Mischpolimerisate sein, zusammen
mit bis zu 15 0/, (berechnet auf das Gewicht des Harzes) anderen äthylenartig ungesättigten,
mit ihnen polymerisierbaren Verbindungen.
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Im Hinblick auf die Verschweißbarkeit der Harze ist es erwünscht,
daß diese Mischungen so hart wie möglich eingestellt sind ; infolgedessen sollten
die Mengen der Mischungszusätze, die fähig sind, mit dem Harz eine einzige Phase
zu bilden, verhältnismäßig klein sein und etwa nur die Größenordnung von 15°lo oder
weniger haben, gerechnet auf das Gewicht des Harzes.
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Farbstoffe, Füllstoffe und andere in der Harzphase lösliche Zusätze
bewirken keine Erweichung des Harzes und können daher in Mengen verwendet werden,
die ihre Begrenzung lediglich in den gewünschten Eigenschaften des Fertigproduktes
finden.
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Nachstehend wird an einem Beispiel die Verfahrensweise gemäß der
Erfindung behandelt. Die Mengenangaben für die Kunststoffzusammensetzung sind in
Gewichtsteilen angegeben.
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Beispiel Teile Polyvinylchloridharz (» Exon 402-A «, ein Erzeugnis
der Firestone Tire & Rubber Company) 100 Dibutylzinndilaurylmercaptid*)..........
3,0 Calziumstearat......................... 0,5 Titandioxyd...........................
0,05 Cadmiumrot........................... 0, 1 Roter Farbzusatz.......................
0,02 *) Dieser Stabilisator ist bei ähnlichen Versuchen ersetzt worden durch eine
Mischung von 1,5 Teilen Dibutylzinndilaurylmercaptid-+-1, 5 Teile"Thermolite Nr.
31", einer komplexen schwefelhaltigen organischen Zinnverbindung, die von der Metal
& Thermite Corporation hergestellt wird.
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Die obigen Bestandteile wurden 4Minuten lang in einem Banburry-Mischer
gemischt, wobei die erreichte
Endtenperatur etwa 1903C betrug Die heiß aus de : n
Mischer kommende Mischung wurde bei einer Materialtemperatur von etwa 188°C auf
eine Dicke von etwa 0,5 mm und eine Breite von etwa 1,4m in Kalandern ausgewalzt.
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Bei diesem Beispiel wurde ein zusammenklappbarer Dorn 14 gemäß Fig.
2 verwendet. Der Außendurchmesser des Dirais betrug etwa 25 cm.
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Der Dorn war mit einer Aluminiumfolie umhiillt, um Zersetzungen des
Harzes unter dem EiaEluB des Eisens zu verhindern. Der Dorn mit dieser Folienhülle
wurde in einem Heißluftofen bei 200°C erwärint, bis seine Temperatur etwa 200° C
betrug. Wahrenddessen wurde ein Streifen einer Vinylchloridfolie von etwa 15 m Länge
und etwa 1, 3 m Breite, die nach der vorausgegangenen Beschreibung hergerichtet
war, in einem anderen Ofen bei ungefähr 125 bis 140°C vorgewärmt. Der Streifen wurde
hierbei hängend gehalten, um ein rasches und gleichmäßiges Erhitzen der Folie zu
gewährleisten. Dorn und Folie wurden anschließend aus den Ofen herausgenommen, und
die Folie wurde auf den Dorn über die Aluminiumfolie in eng übereinanderliegenden
Windungen aufgewickelt. Die Länge der Folie gestattete es, insgesamt t achtzehn
Windungen auf den Dorn aufzubringen, wobei eine Gesamtdicke von etwa 9,5 mm erzielt
wurde. Als die gesamte Folie bis auf den letzten Viertelmeter auf den Dorn aufgewickelt
war, wurde zwischen das freie Ende der Folie und die schon auf dem Dorn befindlichen
Windungen das eine Ende eines Baumwollgewebestreifens eingefügt, der etwa 1,5 m
lang war. Bei dem weiteren Aufwickeln wurde zwischen die äußere Windung der Folie
und das Baumwollgewebe eine Aluminiumfolie eingelegt. Das Baumwollgewebe wurde dann
um die übereinanderliegenden Windungen der Folie herumgewickelt, so daß sich über
der Folie vier Gewebelagen bildeten. Das Gewebe wurde durch metallene Befestigungsglieder
in seiner Lage gesichert. Anschließend wurde das Gewebe mit Wasser kräftig angefeuchtet
und das ganze Gebilde wieder im Heißluftofen einer Temperatur von 200° C ausgesetzt.
Die Anordnung blieb 1 Stunde lang in dem Ofen, wurde dann aus dem Ofen entfernt
und in einem Luftstrom auf Raumtemperatur abgekühlt ; anschließend wurde die Gewebedecke
abgestreift und dabei gleichzeitig das kurze, freie Ende der Harzfolie wieder entfernt,
unter die das Gewebe geschoben war. Der Dorn wurde zusammengeklappt und zusammen
mit der Aluminiumfolie aus dem Innern des entstandenen Gebildes entfernt.
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Die einzelnen Windungen der Vinylchloridfolie waren vollständig miteinander
verschmolzen ; nur ganz schwache Spuren einer Naht konnten an den ursprünglichen
Begrenzungsflächen der Folie außen und innen am Rohr erkannt werden. Ein kurzes
Stück dieses Rohres wurde 4 Stunden lang in Aceton gelegt ; das Rohr dehnte sich
nach allen Richtungen hin um etwa 20 °/o aus, ohne daß eine Zerlegung in die ursprünglichen
Einzelschichten erfolgte. Ein etwa 25 cm langer Abschnitt des Rohres wurde aus einer
Höhe von etwa 90 cm auf einen Betonfußboden fallengelassen, ohne daß der Rohrabschnitt
zerbrach.
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Ein gemäß dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Rohr fand in
einem Rohrsystem Anwendung, durch das Salzsäure hindurchgeführt wurde. Selbst nach
langer Betriebsdauer konnte keinerlei Beeinträchtigung oder Schaden an diesem Rohrstück
festgestellt werden.