DE4308689A1 - Verfahren zur Herstellung orientierter Schlauchfolien aus Polypropylen mit verbesserter Festigkeit und Transparenz - Google Patents

Description

Bei bekannten bisherigen Herstellungsverfahren für orientierte Schlauchfolien erfolgt die Orientierung des PP- Schlauches aus dem Festzustand, wobei der Schlauch in einer Wärmekammer auf die Recktemperatur erwärmt und dann durch Aufblasen in Querrichtung und durch zwei Walzenpaare mit unterschiedlicher Geschwindigkeit in Längsrichtung ver­ streckt wird.

Es ist auch eine Orientierung des HD-PE-Schlauches aus dem Schmelzzustand bekannt, wobei die Längsorientierung durch den Unterschied der Austrittsgeschwindigkeit der Schmelze aus der Düse und der Abzugsgeschwindigkeit, die Querorien­ tierung durch Aufblasen nach Abkühlung im Bereich der Schmelztemperatur der HD-PE erfolgt. (Fahrweise mit langem Hals).

Es ist auch bereits die gleichzeitige Längs- und Querorien­ tierung des LD-PE-Schlauches im Schmelzzustand vorgeschlagen worden, wobei der Schlauch unmittelbar nach der Düse durch die Unterschiede der Düsenaustrittsgeschwindigkeit zur Ab­ zugsgeschwindigkeit und durch Aufblasen orientiert wird.

Jedes dieser bekannten Verfahren hat jedoch spezifische Nachteile, das erstgenannte Verfahren ist für HD-PE und PP geeignet, erfordert aber einen hohen Energieverbrauch und hohe Investkosten.

Das zweite Verfahren eignet sich vorwiegend für das schnellkristallisierende lineare HD-PE und ergibt immer trübe Folien, bei begrenzter Festigkeitsverbesserung.

Das dritte Verfahren wird besonders für das verzweigte LD- PE verwendet, das nur sehr weiche Folien mit geringem Orientierungseffekt ergibt.

Die beiden Schmelzorientierungsverfahren sind für lineares PP wegen der geringeren Kristallisationsgeschwindigkeit und der relativ niedrigen Kristallisationstemperatur nicht geeignet, weil die Orientierung schneller relaxiert, als sie durch die Kristallisation fixiert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Folienblasverfahren zu schaffen, mit dem transparente PP- Folien in einer Dicke von 20 bis 200 µm hergestellt werden können, welche mono- oder biaxial orientiert sind und deren Festigkeit mindestens 50% höher ist, als das bei unorien­ tierten Vorfolien der Fall ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruches 1 gelöst sowie durch die kennzeich­ nenden Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruches.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Orientierung von Blas­ folien auf Basis von Polypropylen vermeidet die vorgenann­ ten Nachteile dadurch, daß zunächst die Längsorientierung vorwiegend aus dem Schmelzzustand, durch zunehmende Schlauchgeschwindigkeit, bei intensiver Kühlung erfolgt und die Querorientierung durch Aufblasen im Kristallisations­ bereich und anschließender Kühlung durchgeführt wird.

Die Trennung der Längs- und Querorientierungsbereiche erlaubt im Gegensatz zu den bekannten Schmelzorientierungs­ verfahren eine unabhängigere Beeinflussung der Festigkeits­ eigenschaften in Längs- und Querrichtung und eine höhere Transparenz.

Um gleiche biaxiale Festigkeiten zu erreichen, muß als Folge der unterschiedlichen Orientierungsrelaxation das Längsorientierungsverhältnis d. h. die Zunahme der Schlauch­ geschwindigkeit höher sein als das Querorientierungsver­ hältnis.

Im Gegensatz zu bekannten Orientierungsprozessen wird bei dem neuen Verfahren der Längsorientierung im Schmelzbe­ reich die Querorientierung im Kristallisationsbereich überlagert.

Zur Durchführung des Verfahrens werden vorzugsweise Poly­ propylen Homo- und Copolymerisate mit verzweigten Ketten (long chainbranched-PP) und Mischungen mit verzweigtem PE verwendet, insbesondere dann, wenn eine starke Längsorien­ tierung im Schmelzzustand erreicht werden soll. Bei gerin­ gerem Längsorientierungseffekt sind Mischungen mit linearem PP oder nur lineares PP alleine sinnvoll.

Im Gegensatz zu linearem PP zeigen die verzweigten PP-Typen beim Dehnen im Schmelzbereich eine mit der Dehnung zuneh­ mende Festigkeit - strain hardening.

Die rheologischen Eigenschaften dieser verzweigten PP-Typen (high melt strength PP′s) sind in "Kunststoffe 82" (1992), Seite 8, näher beschrieben.

Im Kunststoff-Handbuch (Hanser Verlag), Band 1, Seite 126 und 233-242 ist die Dehnungsverfestigung von Schmelzen, insbesondere von verzweigtem LD-PE, ausführlich darge­ stellt.

Diese Dehnungsverfestigung der Schmelze erlaubt eine be­ achtliche Molekülorientierung zwischen dem Schmelz- und dem Kristallisationsbereich, weil die intermolekularen Gleit­ vorgänge - Relaxation - vermindert sind.

Der Verzweigungsindex g quantifiziert den Grad der Langket­ tenverzweigung von PP

ist aussagefähig, weil die Viskosität der verzweigten Moleküle infolge ihrer günstigen Knäulform niedriger als die der linearen Moleküle ist.

Die Methode zur Bestimmung der Grenzviskosität (intrinsic viskosity) ist beschrieben in J. App. Poly. Sci. page 2947- 2963.

Bevorzugt verwendete PP′s haben einen Verzweigungsindex g von 0,3-0,8.

In der Praxis wird die Zunahme der Schmelzenfestigkeit mit der Dehnung nach folgendem Verfahren gemessen:

mit µ*(t) Dehnungsviskosität, f(t) zum Ziehen der Probe verwendete Kraft, e_o Dehnungsverhältnis, a_o anfängliche Querschnittsfläche der Probe und t Zeit.

Die Dehnungsviskosität wird auf einem Dehnungs-Rheometer (hier: Rheometrics 9000 RER) ermittelt. Dabei wird ein zylindrischer Schmelzstrang (Durchmesser 6,6 mm, Länge 26,6 mm) bei 180°C einachsig entweder bei gleichmäßiger Geschwindigkeit oder bei gleichbleibendem Dehnungsverhält­ nis gezogen. Dabei wird die Kraft gemessen, die man zum Ziehen der Probe benötigt.

Erfindungsgemäß geeignet sind solche verzweigten PP-Typen, deren Viskosität im Dehnungsbereich von 5-800% bei einer mittleren Orientierungstemperatur von 180°C ansteigt.

Die Schmelzfestigkeit d. h. die Schmelzviskosität und die Dehnung werden dabei ermittelt, indem der Schmelzenstrang mit einer konstanten Dehnungsgeschwindigkeit von einem Zeitpunkt 0 bis t_x gedehnt wird. Die Proben aus verzweigtem PP zeigen dann einen elastischen, diejenigen aus linearem PP einen duktilen Bruch.

Die verzweigte Molekülform ist auch für die Querorientie­ rung im Kristallisationsbereich trotz der hier schnelleren Kristallisation vorteilhaft, weil dadurch ein höherer Orientierungseffekt entsteht.

Im Vergleich zu nach den bekannten Orientierungsverfahren produzierten Folien besitzen diese Folien eine höhere, in der Richtung beeinflußbare Elastizität und Dehnung, sowie eine befriedigende Schweißbarkeit und Thermoformbarkeit.

Außerdem ist es nach diesem Verfahren auch möglich, coex­ trudierte Folien aus Materialien mit sehr verschiedenen Schmelzbereichen herzustellen. Dieses Eigenschaftsspektrum erlaubt es, neue anwendungsoptimierte Einsatzgebiete zu erschließen.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, daß die relativ niedrigen Investkosten einer Folienblasanlage durch die Zusatzeinrichtungen nicht wesentlich erhöht und die Her­ stellkosten vermindert werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist nach­ folgend in Fig. 1 beschrieben.

Aus einem Blaskopf 1 tritt die Schmelze 2 schlauchförmig aus und wird durch einen unmittelbar nach der Düse ange­ ordneten Luftkühlring 3 mit Luftmengensteuerung abgekühlt.

Die Innenkühlung erfolgt durch Luft die aus dem Spalt 4 austritt. Dieser Spalt liegt nahe dem Düsenende und ist diesem gegenüber thermisch isoliert. Grundsätzlich können verschiedene bekannte Innenkühlsysteme angewendet werden, unter der Voraussetzung, daß durch den Taster 4.1 der Unterdruck so gesteuert wird, daß keine wesentliche Schlauchaufweitung erfolgt.

Der Unterdruckbereich wird durch einen zylindrischen Körper 5, an den der Schlauch angesaugt wird, abgedichtet.

Zusätzlich wird der Anpreßdruck an diesen Zylinder durch den Luftring 6 verstärkt. Dieser Ring dient außerdem zur Temperierung des Schlauches vor der Querorientierung und erzeugt eine zusätzliche Reibungsbremsung.

Das-Aufblasen zur Querorientierung erfolgt durch eine sepa­ rate Druckleitung 7, deren Druck erforderlichenfalls durch einen Taster 7.1 gesteuert wird.

Der Berührungskühlring 8 dient dem schnellen Einfrieren der Orientierung.

Der Kontakttemperring 9, mit einer Temperatur von 70- 120°C, bewirkt eine gewisse Nachkristallisation und Redu­ zierung des Schrumpfes.

Beispiel 1

Der Schlauch aus einem verzweigten PP-Copolymer, mit einem Schmelzindex 190/5 von 1,0 gr/10 min, wird bei einer Masse­ temperatur von 220°C aus einer Runddüse mit 200 mm Durch­ messer und einem Spalt von 1,0 mm, mit einer Leistung von 70 kg/h extrudiert.

Das verwendete verzweigte PP zeigt die nachfolgend darge­ stellte Dehnungsverfestigungscharakteristik.

Der Schlauch wurde durch Regelung der Innen- und Außen­ kühlluftmenge auf einer Länge von 20 cm von 220°C auf 140°C abgekühlt und an einen 20 cm über der Düse angeordneten zylindrischen Körper gesaugt. Das Verhältnis der Düsenaus­ trittsgeschwindigkeit zur Abzugsgeschwindigkeit war 1:4. Anschließend wurde der Schlauch durch getrennten Innendruck im Verhältnis 1 : 4 aufgeblasen. Die Anpreß-, Kühl- und Temperelemente wurden bei diesem Prinzipversuch nicht verwendet.

An der 40 µ dicken Folie wurden folgende Eigenschaften nach DIN 53 455 gemessen:
Zugefestigkeit N/qmm längs 66
Zugefestigkeit N/qmm quer 72
Dehnung % längs 510
Dehnung % quer 470

Diese Festigkeitswerte sind etwa doppelt so hoch, als beim üblichen Blasverfahren erreichbar.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung biaxial orientierter Schlauchfolien, vorzugsweise aus Polypropylen mit verbesserter Festigkeit und Transparenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsorientierung überwiegend im Schmelzbereich und die Querorientierung vorwiegend im Kristallisationsbereich erfolgt und die Längsorientierung durch zunehmende Schlauch­ geschwindigkeit und die Querorientierung durch Auf­ blasen des Schlauches erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die aus dem Blaskopf (1) austretende Schmelze von außen und von innen gekühlt wird, wobei ein relativer Unterdruck, ein Aufweiten des Schlauches vermeidet und der Unterdruckbereich durch einen zylin­ drischen Körper (5) abgedichtet ist und durch einen Luftanpreßring (6) der Anpreßdruck von außen verstärkt wird sowie der Schlauch zusätzlich temperiert werden kann.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und/oder Außenluft auf eine Temperatur unter 20°C abgekühlt wird.

4. Polypropylen Homo- und Copolymere, sowie Blends mit verzweigten Polyolefinen zur Durchführung des Verfah­ rens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität und damit die Schmelzenfestigkeit im Schmelzbereich mit zunehmender Dehnung im gesamten Verdehnungsbereich ansteigt und der Verzweigungsgrad g zwischen 0,2 und 0,8 liegt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die aus dem Blaskopf (1) austretende Schmelze (2) ein Luftkühlring (3) und für das Kühlen von innen eine aus Spalten (4) austretende Luft dient.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine das Aufblasen bewirkende und sich bis an das Innere des Schlauches erstreckende, einen Innendruck erzeugende Druckleitung (7) vorge­ sehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Unterdruckbereich des Schlauches abdichtender zylindrischer Körper (5) sowie ein den Anpreßdruck von außen verstärkender, und den Schlauch zusätzlich temperierender Luftanpreß­ ring (6) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftanpreßring (6) so konzipiert ist, daß der Kontaktkühlring (8) entfallen kann.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperring (9) nur bei schrumpfarmen Folien verwendet wird.

10. Polypropylen entsprechend Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß für überwiegend querorien­ tierte Folien lineares Polypropylen oder Blends mit PE verwendet werden können.

11. Blasfolien mit einer Dicke von 0,02 bis 0,2 mm, herge­ stellt nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Festigkeit mindestens 1,3 mal höher als bei konventionellen Blasverfahren ist.