DE60109425T2

DE60109425T2 - Verfahren und vorrichtung zur verarbeitung von kristallinen oder teilkristallinen polymeren

Info

Publication number: DE60109425T2
Application number: DE60109425T
Authority: DE
Inventors: Joel Soulier
Original assignee: International Brain System SA
Current assignee: International Brain System SA
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2001-01-24
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2021-01-25
Also published as: EP1261469B1; CA2398234C; RU2002120477A; JP2003520142A; WO2001053060A2; ATE290949T1; BR0107818A; AU2819701A; RU2258001C2; BE1013246A3; US6875394B2; US20030047842A1; DE60109425D1; CA2398234A1; ES2240465T3; IL150812A0; CN1315633C; EP1261469A2; CN1404437A; WO2001053060A3

Description

Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Umformung von thermoplastischen Materialien zum Gegenstand, insbesondere von Materialien, die mindestens ein kristallines oder semikristallines Polymer oder Copolymer enthalten, das eine Schmelztemperatur, eine Kristallisationstemperatur und eine Glasübergangstemperatur aufweist.
Die Umformung von Polymeren, insbesondere die Extrusion von massiven oder hohlen Profilen ist im Stand der Technik bekannt. Die bekannten Vorrichtungen wie Vakuumkammern, Extrusionsdüsen usw. sind für Thermoplaste zweckmäßig, die keine abrupten Veränderungen der Viskosität erfahren wie Polyethylen, Polyvinylchlorid usw.
Aus der Druckschrift EP-A-0 171 007 ist ein Verfahren zur Umformung von thermoplastischen Materialien bekannt, die eine Schmelztemperatur und eine Erstarrungstemperatur aufweisen,
bei dem das thermoplastische Material auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur erwärmt wird,
bei dem das erwärmte Material in einer Formungsvorrichtung umgeformt wird, wobei die Temperatur des thermoplastischen Materials von einer Temperatur mindestens nahe der Schmelztemperatur auf eine Temperatur unter der Erstarrungstemperatur gesenkt wird; und
bei dem das thermoplastische Material für seinem Lauf in die Formungsvorrichtung einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Diese Druckschrift beschreibt nicht, dass das elektrostatische Feld einerseits durch eine positive Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material und andererseits eine negative Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material aufgebracht wird.
Bei kristallinen oder semikristallinen Polymeren wie Polyethylenterephthalat (PET) sind die bekannten Vorrichtungen nicht geeignet, weil der Phase mit sehr niedriger Viskosität sehr schnell eine Gelphase folgt, das heißt, man zu schnell von einem Material, das zu fließfähig ist für eine Einführung in einen Umformer, zu einem Material kommt, das zu starr ist, dass es umgeformt werden kann. Andererseits führt die auf den Formstempel ausgeübte Kraft zum Beispiel im Fall der Extrusion eines Rohrs zu einer bedeutenden Reibung, die durch den Schub der Extruderschnecke nicht kompensiert werden kann.
Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zum Gegenstand, das unter anderem die Extrusion eines kristallinen oder semikristallinen Polymers erlaubt, insbesondere von Polyethylenterephthalat, aber gleichermaßen ein Verfahren, das eine einfachere Extrusion von thermoplastischen Materialien wie Polyethylen, Polypropylen, PVC, Polycarbonat usw. erlaubt.
Der erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere auf die Umformung von kristallinem oder semikristallinem Polymer gerichtet, bevorzugt von Polymeren oder Mischungen von Polymeren, die unter der Kristallisationstemperatur feste Kristalle darstellen, wobei sie mit Vorteil im Wesentlichen nur feste Kristalle unter der Kristallisationstemperatur darstellen. Insbesondere enthält des kristalline Polymer oder Copolymer mindestens 40 Gew.-% Polymer(e), die unter der Kristallisationstemperatur nicht kristallin oder semikristallin sind oder Flüssigkristalle darstellen. Insbesondere enthält das kristalline oder semikristalline Polymer weniger als 20 Gew.-% flüssigkristallines Polymer und/oder weniger als 20 Gew.-% Polyolefin, insbesondere keine oder im Wesentlichen keine flüssigkristallinen Polymere und Polyolefine (zum Beispiel weniger als 10 Gew.-% flüssigkristallines Polymer und weniger als 10 Gew.-% Polyolefine). Die flüssigkristallinen Polymere sind thermotrope Polymere, die bei einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur, aber über der Erstarrungstemperatur, Flüssigkristalle darstellen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Umformung von thermoplastischen Materialien, die eine Schmelztemperatur und eine Erstarrungstemperatur aufweisen,

– bei dem das thermoplastische Material auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur erwärmt wird,
– bei dem das erwärmte Material in einer Formgebungsvorrichtung umgeformt wird, indem die Temperatur des thermoplastischen Materials auf eine Temperatur mindestens nahe der Schmelztemperatur bis auf eine Temperatur unter der Erstarrungstemperatur gesenkt wird,
– bei dem das thermoplastische Material vor seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das thermoplastische Material vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode oder Masse, wobei die Elektroden oder die Elektrode und Masse mit dem thermoplastischen Material in Kontakt sind, dem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.

Mit Vorteil wird das thermoplastische Material vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material einem elektrostatischen Feld von mindestens 800.000 V/m, bevorzugt mindestens 1.000.000 V/m, besonders bevorzugt 5.000.000 V/m bis 20.000.000 V/m ausgesetzt.
Die Anwendungsdauer des elektrischen Feldes auf eine Zone des thermoplastischen Materials kann schwanken, zum Beispiel von einem Bruchteil einer Sekunde bis zu mehreren Sekunden, bis zu einigen Mi nuten. Zum Beispiel kann die Anwendungsdauer zwischen 0,5 und 45 Sekunden liegen.
Mit Vorteil verlagert sich das thermoplastische Material vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material, wobei das Feld im Wesentlichen senkrecht zum thermoplastischen Materialfluss zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode oder Masse liegt.
Bevorzugt tritt ein Elektrostriktionseffekt und/oder inverser piezoelektrischer Effekt im thermoplastischen Material zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode oder Masse auf.
Mit Vorteil wird das thermoplastische Material während seiner Formung ab einer Temperatur des Materials über der Schmelztemperatur oder nahe der Schmelztemperatur bis zu einer Temperatur, die einem festen Zustand des Materials entspricht, einem elektrischen Feld ausgesetzt, das im Wesentlichen radial ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Verfahren ein Verfahren, bei dem ein thermoplastisches Material umgeformt wird, das mindestens ein kristallines oder semikristallines Polymer oder Copolymer enthält, das eine Schmelztemperatur aufweist, eine Kristallisationstemperatur unter der Schmelztemperatur und eine Glasübergangstemperatur, wobei das Polymer oder Copolymer bevorzugt im Wesentlichen einzig feste Kristalle unter der Kristallisationstemperatur aufweist,

– bei dem das Material auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des kristallinen oder semikristallinen Polymers oder Copolymers erwärmt wird, und
– bei dem das erwärmte Material in einer Formgebungsvorrichtung umgeformt wird, indem die Temperatur des Materials von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur unter der Glasübergangstemperatur des kristallinen oder semikristallinen Polymers oder Copolymers gesenkt wird.

Das Verfahren weist die Besonderheit auf, dass mindestens bei einer Temperatur über der Glasübergangstemperatur, bevorzugt bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur (mit Vorteil mindestens für einen Temperaturbereich über der Glasübergangstemperatur, bevorzugt für einen Temperaturbereich über der Kristallisationstemperatur), das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens beim Absenken der Temperatur von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur zwischen der Glasübergangstemperatur und der Kristallisationstemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt.
Das elektrische Feld wird insbesondere aufgebracht, um einen Elektrostriktionseffekt oder inversen piezoelektrischen Effekt auszubilden. Der Elektrostriktionseffekt wird insbesondere bei einer Temperatur nahe der Kristallisationstemperatur des kristallinen Polymers oder Copolymers erreicht, während der inverse piezoelektrische Effekt bei einer Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur erreicht wird. Diese Effekte ermöglichen ein leichteres Fließen und Gleiten des Polymers auf der Kontaktfläche, insbesondere auf der Oberfläche der Elektroden, die mit dem Material in Kontakt stehen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird mindestens beim Absenken der Temperatur von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur zwischen der Kristallisationstempe ratur und der Glasübergangstemperatur [insbesondere bis auf eine Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur (bevorzugt unter oder gleich ungefähr der Glasübergangstemperatur)], das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt. Es wurde festgestellt, dass außer einem geringeren Reibungswiderstand, die mechanischen Eigenschaften oder Merkmale des Produkts verbessert sind.
Zum Beispiel wird das Material einem elektrostatischen Feld über einen Temperaturbereich ausgesetzt, der von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis zu einer Temperatur mindestens 20°C unter der Kristallisationstemperatur, mit Vorteil mindestens 50°C unter der Kristallisationstemperatur, bevorzugt mindestens 100°C unter der Kristallisationstemperatur reicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird mindestens für eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt. Dies ist von Vorteil, da festgestellt wurde, dass bei konstantem Materialaustrag durch eine Düse, der zum Verschieben des Materials in der Düse notwendige Druck im Falle der Anwendung eines elektrischen Feldes reduziert ist, zum Beispiel um mindestens das Zweifache im Vergleich zum notwendigen Druck ohne Anwendung eines elektrischen Feldes.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mindestens für eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur sowie für einen Temperaturbereich zwischen einer ersten Temperatur über der Kristallisationstemperatur und einer zweiten Temperatur zwischen der Kristallisationstemperatur und der Glasübergangstemperatur, bevorzugt für einen Temperaturbereich, der von einer Temperatur nahe (insbesondere über) der Schmelztemperatur bis zu einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur, insbesondere nahe der Glasübergangstemperatur reicht, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt.
Gemäß einem Kennzeichen einer Ausführungsform, weist das elektrische Feld eine Intensität von mindestens 800.000 Volt/m auf, mit Vorteil mindestens 1.000.000 Volt/m, bevorzugt mindestens 2.000.000 Volt/m, zum Beispiel 2.000.00 Volt/m bis 20.000.000 Volt/m, insbesondere 5.000.000 V/m bis 20.000.000 V/m, wie 5.000.000 V/m, 8.000.000 V/m und 10.000.000 V/m.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Material mit Vorteil einem radialen und/oder längsgerichteten und/oder quergerichteten elektrischen Feld ausgesetzt, aber bevorzugt mindestens radial oder in einer Richtung quer zur Breite des Materials, insbesondere in eine Richtung im Wesentlichen senkrecht zum Materialfluss in der Düse oder der Formgebungsvorrichtung.
Gemäß einer Ausführungsform wird die Materialschmelze adiabatisch oder im Wesentlichen adiabatisch in die Formgebungsvorrichtung geführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Material umgeformt, das mindestens ein Additiv zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften, das heißt der Dielektrizitätskonstante oder Permittivität enthält. Zum Beispiel wird dem Material eine ausreichende Menge Additiv zugesetzt, um die Dielektrizitätskonstante oder die Permittivität des kristallinen oder semikristallinen Polymers oder Copolymers um mindestens 10% zu erhöhen. Als Beispiel für Additive sind Verbindungen auf Basis von Titan wie Bariumtitanat, Titanoxid (TiO₂) usw. zu nennen.
Das Verfahren gemäß der Erfindung ist besonders geeignet für die Umformung von PET, eventuell geladen, zum Beispiel PET aus Produktionsabfällen von Vorformen oder Flaschen aus PET.
Gemäß einem Detail des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Formgebungsvorrichtung eine Abkühlvorrichtung eines Extruders oder eine Gussform. Das elektrische Feld kann gleichermaßen auf Höhe einer Düse, insbesondere der Düse eines Extruders angewendet werden. Die Düse oder Formgebungsvorrichtung weist mit Vorteil einen Stempel auf, der dazu vorgesehen ist, die innere Form des Extrudats oder extrudierten Produkts zu formen, und eine Wand, die dazu vorgesehen ist, die äußere Kontour des Extrudats oder extrudierten Produkts zu formen. Der Stempel ist mit Vorteil in Bezug auf die Düse oder Formungsvorrichtung festgelegt oder im Wesentlichen festgelegt. Mit Vorteil wird ein radiales elektrisches Feld zwischen dem Stempel und der Wand ausgebildet, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Extrudars oder extrudierten Produkts zu formen, wobei der Stempel mit Vorteil eine negative Elektrode oder Masse bildet, während die Wand mit Vorteil eine positive Elektrode bildet.
Die Formgebungsvorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist mit Vorteil eine Gussform oder eine Abkühlvorrichtung eines Extruders, zum Beispiel eine Abkühlvorrichtung, die einer Düse zugeordnet ist, um ein Profil, ein Rohr usw. auszubilden. Die Formgebungsvorrichtung kann gleichermaßen eine Gussform und/oder eine Düse sein, der oder die Einspritzkanäle einer Form, um zum Beispiel den Einspritzdruck zu reduzieren und/oder die Anzahl der Abformungen der Form zu erhöhen.
Die Erfindung hat ferner ein Produkt zum Gegenstand, das aus einem kristallinen oder semikristallinen Polymer oder Copolymer ausgebildet ist (geladen oder nicht), das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten ist. Mit Vorteil ist das Produkt aus eventuell geladenem PET ausgebildet. Es wurde festgestellt, dass beim Induzieren eines axialen elektrostatischen Feldes, insbesondere radial in Bezug auf eine Wand des Produkts, es möglich ist, die mechanischen Merkmale der Wand zu verbessern.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Produkt die Vorform für eine Flasche.
Die vorliegende Erfindung hat gleichermaßen eine Vorrichtung zur Formgebung eines thermoplastischen Materials nach einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Gegenstand. Die Vorrichtung umfasst:

– eine Düse oder eine Formgebungskammer, die einen Durchgang zum Einführen des thermoplastischen Materials (zum Beispiel bei einer Temperatur nahe der Schmelztemperatur, bevorzugt über der Schmelztemperatur oder bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur oder bei einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur), wobei die Kammer oder Düse eine oder mehrere Wände in Kontakt mit dem thermoplastischen Material (zum Formen) aufweist;
– ein Abkühlmittel zum mindestens teilweisen Abkühlen einer oder mehrerer Wände; und
– ein Mittel zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in der Formgebungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst:
– ein Mittel zum Verbinden mindestens einer Wand oder eines Teils der Wand der Kammer oder Düse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material mit einer Elektrizitätsquelle zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen mindestens dieser Wand oder Teils der Wand und einer anderen Wand oder Teils der Wand der Kammer oder Düse (Wand oder Teile der Wand, die mit dem thermoplastischen Material in Kontakt sind).

Mit Vorteil umfasst die Vorrichtung ein erstes Mittel zum Verbinden einer ersten Wand oder eines Teils der Wand mit einem Pol (zum Beispiel dem positiven Pol) einer Elektrizitätsquelle und ein zweites Mittel zum Verbinden einer anderen Wand oder eines Teils der Wand mit einem anderen Pol (zum Beispiel dem negativen Pol) der Elektrizitätsquelle oder der Masse derart, dass die erste Wand oder Teil der Wand eine positive Elektrode bildet.
Gemäß einer möglichen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Mittel zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes oder ist diesem zugeordnet, das ein Mittel ist umfassend eine positive Elektrode und eine negative Elektrode oder Masse, wobei die Elektroden oder Masse mit dem thermoplastischen Material in Kontakt sind, wobei das Mittel zwischen den Elektroden oder zwischen der oder den positiven Elektroden und der Masse ein elektrostatisches Feld von mindestens 800.000 V/m, bevorzugt mindestens 1.000.000 V/m (insbesondere über 2.000.000 V/m, zum Beispiel 5.000.000 V/m bis 20.000.000 V/m) erzeugt.
Bevorzugt bilden die positive(n) und negative(n) Elektrode(n) oder Masse Wände eines Kanals, in dem sich in eine Richtung das thermoplastische Material verlagert, wobei die Elektroden oder Masse angeordnet sind, um ein elektrostatisches Feld im Wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung des Materials im Kanal zu erzeugen.
Gemäß einem Detail einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Düse, die einer Formgebungskammer zugeordnet ist, und Mittel zum Anschließen einer oder mehrerer Wände der Düse und der Formgebungskammer an mindestens einer Elektrizitätsquelle, um ein elektrostatisches Feld in der Düse und ein elektrostatisches Feld in der Formgebungskammer zu erzeugen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Formgebungsvorrichtung, mit Vorteil einer Düse zugeordnet, einen zwischen einer Wand einer positiven Elektrode und einer Wand einer negativen Elektrode oder Masse definierten Kanal auf, wobei der Kanal einen Durchgang zum Einführen von thermoplastischer Materialschmelze (oder nahe der Schmelztemperatur) in den Kanal aufweist. Es ist im Wesentlichen die gesamte Oberfläche der Wand (Wände) des Kanals der Formgebungsvorrichtung (plus eventuell die der Düse) in Kontakt mit dem thermoplastischen Material aus Elektrodenwänden oder von Elektrodenwänden und Masse gebildet. Mit Vorteil sind die Elektroden und/oder Masse so platziert oder angeordnet, dass ein elektrisches Feld im Wesentlichen radial in der ganzen Formgebungsvorrichtung sowie eventuell in der Düse aufgebracht wird. Wenn die Formgebungsvorrichtung einen Durchgang für den Austritt des geformten Materials aufweist (zum Beispiel mit einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur, zum Beispiel bei einer Temperatur zwischen der Glasübergangstemperatur und der Kristallisationstemperatur), sind die Elektroden (oder die eine oder mehrere Elektroden und Masse) mit Vorteil so angeordnet oder vorgesehen, dass ein radiales elektrisches Feld im Material im Wesentlichen vom Einführungslauf des Materials in die Formgebungsvorrichtung bis zum Austrittslauf des Materials aus der Formgebungsvorrichtung ausgebildet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Wände der Formgebungsvorrichtung oder der Abkühlvorrichtung oder der Form und/oder der Düse in Kontakt mit dem Material mit Aluminiumoxid ausgerüstet, insbesondere mit einer Schicht überzogen, die Aluminiumoxid enthält.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Stempel, der dazu vorgesehen ist, die innere Form des Produkts zu formen, das in der Formgebungskammer geformt wird, wobei diese eine Wand aufweist, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Produkts zu formen. Der Stempel und die Wand, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Produkts zu formen, bilden Elektroden oder eine Elektrode und eine Masse zum Erzeugen eines radialen elektrischen Feldes, wobei der Stempel mit Vorteil eine negative Elektrode oder die Masse bildet, während die Wand mit Vorteil eine positive Elektrode bildet.
Mit Vorteil umfasst die Vorrichtung eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die angeordnet sind, um dazwischen ein elektrisches Feld auszubilden und Wände der Formgebungskammer in Kontakt mit dem thermoplastischen Material bilden, wobei die positive Elektrode mit Vorteil aus Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei die Kontaktfläche der Elektrode mit dem thermoplastischen Material bevorzugt mit einer Aluminiumoxidschicht von mindestens 25 μm Dicke ausgerüstet ist.
Gemäß einer Besonderheit sind die Wände der Formgebungsvorrichtung oder der Abkühlvorrichtung und/oder der Düse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material mit Aluminiumoxid ausgerüstet, insbesondere mit einer Schicht überzogen sind, die Aluminiumoxid enthält.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Formgebungskammer eine Gussform.
Mit Vorteil erstrecken sich ein oder mehrere Isoliermittel zwischen der positiven Elektrode oder mit dem positiven Pol einer Stromquelle verbunden und der Masse oder negativen Elektrode oder mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden, wobei ein Isoliermittel mit Vorteil durch eine Schicht eines isolierenden oder dielektrischen Fluids oder einer Flüssigkeit gebildet ist.
Die Vorrichtung weist mit Vorteil eine Kammer in Kontakt mit der positiven Elektrode auf, in der sich isolierende Flüssigkeit oder Fluid befindet, und Durchgänge in Verbindung mit der Kammer, wobei die Durchgänge mit einem Mittel versehen sind, um die Kammer mit einem Zirkulationssystem für isolierende Flüssigkeit oder Fluid zu verbinden, wobei das System mit Vorteil ein Abkühlsystem umfasst.
Gemäß einem Detail einer Ausführungsform kann die Länge der positiven Elektrode oder der positiven Elektroden in Kontakt mit dem Material, Länge berechnet in Vorschubrichtung des Materials in der Formgebungskammer oder Düse, über 5 cm betragen, mit Vorteil mehr als 10 cm, insbesondere mehr als 20 cm. Diese Länge liegt zum Beispiel zwischen 20 cm und 2 m, sogar darüber. Die Länge der positiven Elektrode oder der positiven Elektroden wird in Funktion der Zonen angepasst, wo das elektrische Feld aufgebracht werden soll, in Funktion des Materialdurchsatzes, in Funktion der Qualität der zu erhaltenden Produkte, in Funktion der Größe, der Dicke der Produkte usw.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Umformung eines kristallinen oder semikristallinen Polymer- oder Copolymermaterials nach einem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Vorrichtung umfasst:

– eine Kammer zur Umformung, die eine Öffnung zum Einführen des Material bei einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur aufweist, wobei die Kammer sich mindestens zwischen einer ersten Wand oder einem ersten Teil der Wand und einer zweiten Wand oder einem zweiten Teil der Wand erstreckt;
– ein Abkühlmittel zum Abkühlen mindestens einer Wand oder eines Teils der Wand der Kammer,
– eventuell eine Düse, deren Austritt mit der Öffnung zum Einführen von Material in die Umformungskammer in Verbindung steht, und
– ein Mittel zum Ausbilden eines elektrostatischen Feldes zwischen mindestens einem Teil der ersten Wand oder dem ersten Teil der Wand und mindestens einem Teil der zweiten Wand oder dem zweiten Teil der Wand und/oder in der Düse.

Bevorzugt umfasst die Vorrichtung eine Düse und Mittel zum Ausbilden eines elektrischen Feldes in der Düse und in der Umformungskammer.
Mit Vorteil umfasst die Vorrichtung gemäß der Erfindung ein Mittel, um das Material in der Umformungskammer adiabatisch oder im Wesentli chen adiabatisch (d. h. ohne Austausch oder Übertragung von Wärme) auf eine Temperatur über der Kristallisationstemperatur zu führen.
Bevorzugt weist die Umformungskammer eine Austrittsöffnung auf, durch die das umgeformte Material bei einer Temperatur unter der Glasübergangstemperatur austritt. Zum Beispiel ist die Umformkammer eine Extrusionsdüse, insbesondere für ein Hohlprofil, ein Rohr, eine Leitung, einen Behälter usw.
Gemäß möglicher Ausführungsformen umfasst das Mittel zum Ausbilden eines elektrischen Felde mindestens zwei Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie ein radiales und/oder transversales und/oder längsgerichtetes elektrisches Feld ausbilden.
Bevorzugt umfasst das Mittel zum Ausbilden eines elektrischen Felde mindestens zwei Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie ein radiales elektrisches Feld in der Umformungskammer ausbilden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Variante umfasst die Vorrichtung außerdem mindestens zwei Elektroden, die so angeordnet sind, dass sie ein radiales elektrisches Feld in der Düse ausbilden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Mittel zum Ausbilden eines elektrischen Feldes in Bezug auf das Abkühlmittel so ausgerichtet, dass es ein elektrisches Feld mindestens in einer Zone der Umformungskammer ausbildet, in der das Material von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur auf eine Temperatur im Wesentlichen gleich der Glasübergangstemperatur übergeht.
Gemäß einer anderen möglichen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein oder mehrere Mittel zum Ausbilden eines elektrischen Feldes mindestens in einer Zone der Düse und mindestens in einer Zone der Umformungskammer derart, dass ein elektrisches Feld auf das Material von einer Temperatur über der Schmelztemperatur bis zu einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur einwirkt, zum Beispiel bis auf eine Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur, sogar unter der Glasübergangstemperatur.
Gemäß einem Detail einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung einen Stempel, der zum Formen der inneren Form des in der Umformungskammer ausgebildeten Produkts bestimmt ist, wobei die Umformungskammer eine Wand aufweist, die zum Formen der äußeren Form des Produkts bestimmt ist. Der Stempel und die Wand, die zum Formen der äußeren Form des Produkts bestimmt ist, bilden Elektroden zum Ausbilden eines radialen elektrischen Feldes, wobei der Stempel mit Vorteil eine negative Elektrode oder Masse darstellt, während die Wand mit Vorteil eine positive Elektrode darstellt.
Gemäß einem anderen Detail einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine positive Elektrode und eine negative Elektrode, die so ausgerichtet sind, dass sie zwischen sich ein elektrisches Feld ausbilden und die Wände der Umformungskammer in Kontakt mit dem kristallinen oder semikristallinen Polymer oder Copolymer darstellen, wobei die positive Elektrode mit Vorteil aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist, wobei die Kontaktfläche mit dem kristallinen oder semikristallinen Polymer oder Copolymer bevorzugt behandelt ist, so dass sie eine Schicht aus Aluminiumoxid von mindestens 25 μm Dicke erhält.
Besonderheiten und Details der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In dieser Beschreibung wird auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen. In den Zeichnungen sind:
1 eine schematische Ansicht eines Extruders ausgerüstet mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine Schnittansicht eines Details der Extrusionsdüse von 1,
3 eine Längsschnittansicht der Extrusionsdüse,
4 bis 7 Ansichten, die die Platzierung der Elektroden zum Erhalt eines speziellen Feldes zeigen,
8 eine schematische Ansicht einer Form gemäß der Erfindung,
9 eine Darstellung einer Enthalpiekurve von PET erhalten nach dem DSC-Verfahren (Differential Scanning Calorimetry),
10 bis 12 schematische Ansichten von besonderen Ausführungsformen der Vorrichtung gemäß der Erfindung,
13 eine Anordnung von Elektroden in einem Einspritzkanal einer Form,
14 eine Darstellung der Entwicklung des notwendigen Drucks beim Durchtritt von POM durch eine Formgebungsvorrichtung im Verlauf der Zeit (Zeitpunkt 0 entspricht der Zeit zu Beginn des Einführens des Polymers in die Vorrichtung) mit und ohne Anwendung eines radialen elektrischen Feldes,
15 bis 17 ähnlichen Schaubilder wie die der 14, wobei das extrudierte Material jeweils PET, PE hoher Dichte und Polypropylen ist.
1 zeigt einen Extruder 2, der ein kristallines oder semikristallines Polymer durch den Einfülltrichter 1 aufnimmt (zum Beispiel PET in Form von Granulat oder Schnitzeln). Das Polymer wird im Extruder 2 aufgeschmolzen und wird in den Kopf 3 geschoben, der in der Zone A mit einem Stempel 4 ausgerüstet ist, der dazu bestimmt ist, die innere Form des Extrudats zu ergeben. Das Extrudat kommt dann in die adiabatische Zone B (Zone 5, in der kein oder im Wesentlichen kein Wärmeaustausch stattfindet). Diese Zone ist mit Vorteil konvergent, das heißt der Durchtrittsquerschnitt dieser Zone nimmt in Vorschubrichtung des Materials ab. Die Temperatur des Polymers in dieser Zone 5 ist leicht höher als der Kristallisationspunkt, zum Beispiel eine Temperatur von 1 bis 20°C über dem Kristallisationspunkt. Die Polymerschmelze kommt dann in die Zone C, wobei die Zone einer bedeutenden Abkühlung und einem bedeutenden elektrischen Feld ausgesetzt ist. Die Zone C bildet daher ei nen Kondensator 6. Das elektrische Feld wird aufrechterhalten bis die Temperatur des Polymers gleich oder unter der Glasumwandlungstemperatur des Polymers ist (Zone D). Das stabilisierte Produkt 7 verlässt dann die Extrusionsdüse.
Die 2 ist eine Schnittansicht der Extrusionsdüse verlängert durch eine Formgebungsvorrichtung. Die Anlage mit Düse/Formgebungsvorrichtung 10 umfasst eine Umhüllung 11, die einen Durchtritt aufweist, in dem sich der Stempel 4 erstreckt. Der Stempel 4 bildet eine negative Elektrode oder die Masse der Maschine, während die Umhüllung 11 die positive Elektrode bildet. Das auf diese Weise ausgebildete elektrische Feld ist ein radiales Feld, das gegen den Stempel 4 gerichtet ist. Das radiale elektrische Feld (siehe 3) induziert einen Elektrostriktionseffekt in den Kristalliten, was sich durch ein leichtes Ablösen des Polymers in Bezug auf die positive Elektrode ausdrückt (beim Polymer ist die Temperatur unter der Kristallisationstemperatur oder dem Kristallisationspunkt). Die Innenseite der Umhüllung 11 ist zum Beispiel aus einer Aluminiumlegierung gebildet, mit Vorteil behandelt und mit einer Schicht aus Aluminiumoxid Al₂O₃ überzogen. Die leichte Ablösung ermöglicht eine Verschiebung des Produkts in der Extrusionsdüse durch die Kraft der Extruderschnecke und ermöglicht dem Produkt, aus der Extruderdüse auszutreten. Das elektrische Feld zwischen den Elektroden ist in diesem Fall ein Feld von 5.000.000 Volt/m. Das Material tritt zum Beispiel in die Anlage 10 mit einer Temperatur über der Schmelztemperatur ein und verlässt sie bei einer Temperatur unter der Kristallisationstemperatur.
Die positive Elektrode 11 ist von der Masse isoliert (zum Beispiel durch elektrische Isolierkissen und ist mit einem oder mehreren Abkühlkanälen verbunden.
Das Abkühlen der Anlage 10 (Extrusionsdüse und/oder Formgebungsvorrichtung) wird zum Beispiel mittels einer elektrisch isolierenden Flüssigkeit und mit hohem Heizwert vorgenommen, insbesondere mittels einem dielektrischen Öl.
Eventuell kann man eine Gaszirkulation mit niedriger Temperatur verwenden, zum Beispiel Stickstoff, um das Abkühlen zu erreichen.
Dieses Isolierfluid dient gleichermaßen der elektrischen Isolation für die positive Elektrode. Diese Isolation ist zum Beispiel geeignet, wenn die Kanäle, in denen das Fluid fließt, zwischen der positiven Elektrode und einer Masse ausgebildet ist, aber gleichermaßen geeignet, um die positive Elektrode des Zirkulationssystems oder des Abkühlsystems des Isolierfluids zu isolieren.
Das aus der Extruderdüse austretende Produkt ist im Fall der 1 ein Rohr von 9 cm Außendurchmesser, dessen Wand eine Dicke von 0,5 cm aufweist.
In 4 ist ein Transversalschnitt einer Extruderdüse ähnlich wie in 3 dargestellt, wenn nur der Stempel die positive Elektrode bildet und die Umhüllung 11 die negative Elektrode bildet.
In 5 ist im Querschnitt eine Extruderdüse eines Hohlprofils mit rechteckigem Querschnitt dargestellt. In dieser Ausführungsform bildet der Stempel mit rechteckigem Querschnitt die positive Elektrode, während die Umhüllung die negative Elektrode bildet.
In 6 ist schematisch im Längsschnitt eine Extruderdüse dargestellt, deren Umhüllung 11 eine Reihe von einzelnen Elementen 12, 13 umfasst, die positive Elektroden und negative Elektroden bilden, wobei eine positive Elektrode 12 von einer negativen Elektrode 13 durch ein Isolierelement getrennt ist. Die Elektroden sind senkrecht zur Vorschubachse des Extrudats angeordnet, derart, dass das Polymer einem längsge richteten elektrischen Feld ausgesetzt ist oder einem Feld, dessen Richtung parallel zur Vorschubrichtung des Extrudats ist.
In 7 ist teilweise im Schnitt, eine Düse dargestellt, deren Umhüllung 11 eine Reihe von einzelnen Elementen 14, 15 umfasst, die positive Elektroden und negative Elektroden bilden, wobei eine positive Elektrode 14 von einer negativen Elektrode 15 durch ein Isolierelement 16 getrennt ist. Die Elektroden sind zueinander so platziert, dass sie quergerichtete elektrische Felder definieren, wobei die Richtung der elektrischen Felder senkrecht zur Vorschubrichtung des Extrudats ist.
Es ist natürlich möglich, elektrische Felder auszubilden, die aus der Verbindung eines radialen elektrischen Feldes, eines längsgerichteten elektrischen Feldes und/oder eines quergerichteten elektrischen Feldes gebildet sind, indem die Elektroden auf geeignete Weise positioniert werden. Wenn zum Beispiel der Stempel eine negative Elektrode ist, werden in den Vorrichtungen der 6 und 7 radiale und schräge elektrische Felder, zusätzlich zu den längsgerichteten und quergerichteten Feldern ausgebildet.
In 8 ist eine Form 20 dargestellt, die eine äußere Umhüllung 21 bildet, die zwei Teile 21A, 21B umfasst, die voneinander getrennt werden können, um die Entnahme des Formteils zu ermöglichen. Es ist ein Hohlraum 23 in der Umhüllung 21 definiert. In diesem Hohlraum 23 erstreckt sich ein Kern, zum Beispiel ein Zylinder 24, wobei dieser Kern an der Einspritzmaschine befestigt ist. Die Form ist mit Vorteil mit einem Abkühlmittel ausgerüstet. Die Umhüllung 21 bildet zum Beispiel eine positive Elektrode, während der Kern 24 eine negative Elektrode bildet oder umgekehrt.
In 9 ist eine Enthalpiekurve von PET dargestellt, wobei diese Kurve einen Glasübergangspunkt (hohl) zeigt, der der Temperatur des Glasübergangs von PET entspricht, einen Kristallisationspunkt, der der Kristallisationstemperatur von PET entspricht und einen Schmelzpunkt (hohl), der der Schmelztemperatur von PET entspricht.
Zur Erhöhung der Dielektrizitätskonstante von PET kann es zweckmäßig sein, dem kristallinen oder semikristallinen Polymer Additive zuzusetzen, die dielektrische Eigenschaften aufweisen. Solche Additive sind dem Fachmann bekannt. Insbesondere wird Bariumtitanat und/oder TiO₂ in Form von Pulver oder Plättchen verwendet. Zum Beispiel kann die Menge an Additiv(en), die dielektrische Eigenschaften besitzen, zwischen 0,01 bis 25 Gew.-% liegen, mit Vorteil zwischen 0,1 bis 10 Gew.-% des kristallinen oder semikristallinen Polymers, und insbesondere bezogen auf des Gewicht des Polymers PET.
Die 10 ist eine Ansicht einer Vorrichtung gemäß der Erfindung ähnlich der 1. Die Vorrichtung umfasst:
einen Extruder 2;
eine adiabatische Zone 5;
eine Düse 10;
eine Formungsvorrichtung 6, und
ein Traktionssystem 11, das das Produkt 7 aus der Formungsvorrichtung zieht.
In der Ausführungsform von 10 ist die Formungsvorrichtung 6 mit Mitteln versehen, die ein radiales elektrostatisches Feld aufbringen. Das erhaltene Produkt weist im Vergleich zu einem Produkt, das ohne Anwendung eines elektrischen Feldes erhalten wurde, um 30% verbesserte mechanische Eigenschaften auf.
In der Ausführungsform von 11 ist die Vorrichtung ähnlich wie die der 10, aber es ist keine adiabatische Zone 5 vorhanden (das aus dem Extruder austretende Produkt kommt direkt in die Düse 10) und ein elektrostatisches Feld wird auf das in die Düse 10 eintretende Material aufgebracht statt auf die Formungsvorrichtung 6. Das elektrische Feld ist mit Vorteil radial. Es wurde festgestellt, dass bei Aufbringen eines radialen elektrischen Felds in der Düse ein reduzierter Druck im Extruder ausreichend ist, um einen selben Durchsatz an extrudiertem Produkt zu gewährleisten, wie wenn kein elektrisches Feld angewendet ist. Im Fall von kristallinem Polymer wurde festgestellt, dass der Druck des Extruders um einen Faktor von 5 bis 10 reduziert werden kann, wenn ein radiales elektrisches Feld von mindestens 5.000.000 Volt/m aufgebracht ist, wobei der selbe Durchsatz eingehalten wird wie bei einem Extruder, der mit einer Düse ausgerüstet ist, auf die kein elektrisches Feld angewendet ist.
Beim Aufbringen eines elektrischen Feldes in der Düse ist es daher möglich, den extrudierten Materialdurchsatz zu erhöhen, wenn der Extrusionsdruck verwendet wird, der im Falle verwendet wird, wenn kein elektrisches Feld auf die Düse aufgebracht wird. Durch Verändern der Stärke des radialen elektrischen Feldes und/oder durch Verändern des Extruderdrucks ist es daher möglich, den Durchsatz an extrudiertem Material zu verändern.
Schließlich ist die Vorrichtung von 12 ähnlich der von 11, aber es wird kein radiales elektrisches Feld auf die Formungsvorrichtung 6 aufgebracht. Diese Vorrichtung ermöglicht einerseits die Produktion eines vorhandenen Extruders zu erhöhen und andererseits die mechanischen Eigenschaften des extrudierten Produkts zu verbessern.
13 zeigt schematisch eine mögliche Anordnung von Elektroden (positive Elektrode 30, negative Elektrode oder Masse 31) in einem Einspritzkanal 32 einer Form 33, die zum Beispiel einen in Bezug auf den Kopf einer Einspritzvorrichtung festen Teil 33A und einen beweglichen Teil 33B umfasst, der zu einer relativen Bewegung in Bezug auf den Teil 33A in der Lage ist, um das Entfernen des geformten Produkts in der Vertiefung und den Vertiefungen 34 zu ermöglichen. Der Einspritzkanal 32 weist einen Finger oder Mittel 36 zum Teilen des Polymerstroms zu verschiedenen Vertiefungen 34 der Form oder zu mehreren Stellen der Vertiefung oder der Vertiefungen der Form auf. Der feste Teil der Form weist eine positive Elektrode 30 auf, die von einer Isolierschicht 35 des Gestells 33A1 des Teils 33A isoliert ist. Das Gestell 33A1 ist mit der Masse der Einspritzvorrichtung verbunden. Der bewegliche Teil 33B ist so ausgerichtet, dass er mit der Masse der Einspritzvorrichtung verbunden werden kann, mindestens wenn der Teil 33B gegen den Teil 33A anliegt (Form in geschlossener Position). Der bewegliche Teil 33B bildet daher mindestens in der geschlossenen Position der Form 33 gleichermaßen eine Masse. In der dargestellten Form ist der Finger oder das Mittel 36 vom Teil 33B getragen. Die Isolierschicht 35 gewährleistet gleichermaßen eine Isolation zwischen der positiven Elektrode und dem Einspritzkopf. Wenn der Einspritzkopf mit einer positiven Elektrode versehen ist, ist die positive Elektrode der Form mit Vorteil mit der positiven Elektrode der Einspritzvorrichtung verbunden, wobei die positive Elektrode der Einspritzvorrichtung daher vom Gestell 33A1 isoliert ist.
Beim Einspritzen fließt die Materialschmelze in die Einspritzkanäle 32 und insbesondere zwischen die positive Elektrode und dass Mittel 36 und eine Seite des Teils 33B. Das Material wird auf diese Weise einem Feld ausgesetzt, das senkrecht zur Fließrichtung des Materials im Teil 33A ist.
Im Falle, wo der Teil 33A mit Abkühlkanälen ausgerüstet ist, sind diese Kanäle entlang der Seite der positiven Elektrode ausgerichtet, nicht in Kontakt mit dem einzuspritzenden Material, wobei das Abkühlfluid damit ein elektrisch isolierendes Fluid ist, insbesondere ein elektrisch isolierendes Kühlöl oder ein dielektrisches Öl.
14 zeigt die durch die Extruderschnecke ausgeübten Drücke, die Polyoxymethylen (kristallines Polymer) in eine polarisierte Formgebungsvorrichtung schiebt [radiales Feld auf das Material aufgebracht vom Einführen des Materials in die Vorrichtung (Temperatur nahe der Schmelztemperatur) bis zum Austritt aus der Vorrichtung bei einer Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur] und in die Formgebungsvorrichtung ohne Polarisation von der Einführung des Materials bei einer Temperatur nahe der Schmelztemperatur.
Aus dieser Figur ergibt sich, dass ohne Polarisation (Kurve I) der Formgebungsvorrichtung, die Strömung zunächst adiabatisch ist (+/–15 Sekunden), dann eine Front oder abruptes Ansteigen des Drucks zu sehen ist (aufgrund der Kristallisationstemperatur des Polymers). Danach ist ein Verweilen des Drucks bis zu einer Zeit von 30 Sekunden nach dem Einführen des Materials zu sehen. Der Druck nimmt dann weiter bis einem maximal zulässigen Druck der Formgebungsvorrichtung und des Extruders (120 bar) zu. Aufgrund des Abkühlens des Materials bildet sich in der Formgebungsvorrichtung ein Materialpfropfen und ein Druck von 120 bar ist nicht ausreichend, um das Material aus der Formgebungsvorrichtung austreten zu lassen.
Wenn die Formgebungsvorrichtung polarisiert ist (radiales elektrisches Feld von 5.000.000 Volt/m auf das Material aufgebracht ist (Kurve II) gleich nach Eintritt des Materials in die Formgebungsvorrichtung ein Druck unter dem ohne Anwendung eines elektrischen Feldes zu sehen, gefolgt von einem Verweilen bei 20 bar bis zu 60 Sekunden (Zeit ab dem Einführen des Materials gemessen). Dann ist ein abruptes Ansteigen des Drucks aufgrund des Temperaturabfalls des Materials in der Formgebungsvorrichtung zu sehen, gefolgt von einem Verweilen des Drucks bei ungefähr 60 bar. Das geformte Material tritt mit einem Druck von ungefähr 60 bar aus der Vorrichtung aus.
Diese Figur zeigt daher, dass durch Aufbringen eines elektrischen Feldes in der Formgebungsvorrichtung es möglich ist, den maximalen Druck beträchtlich zu reduzieren, der notwendig ist, um das Material durch die Formgebungsvorrichtung zu treiben.
15 ist eine Figur ähnlich wie 14, die aber den Einfluss eines elektrischen Feldes in der Formgebungsvorrichtung für PET zeigt. Aus dieser Figur ergibt sich, dass durch Anwendung eines elektrischen Feldes (Kurve II) der maximale Druck zum Vorschieben des Materials durch die Vorrichtung reduziert ist. Die Kurve I zeigt den notwendigen Druck, wenn kein elektrisches Feld aufgebracht ist.
Schließlich sind die 16 und 17 Figuren ähnlich wie 14, die entsprechend auf Polyethylen hoher Dichte und Polypropylen bezogen sind. Diese Figur zeigt auch, dass durch Aufbringen eines elektrischen Feldes (in diesem Beispiel radial – Kurve II) es möglich ist, den maximal notwendigen Druck beim Durchlauf des Materials in der Formgebungsvorrichtung zu reduzieren. Die Kurve I zeigt den notwendigen Druck, wenn kein elektrisches Feld aufgebracht ist.
Eine solche Druckreduzierung zeigt, dass durch Aufbringen eines elektrischen Feldes die Reibung des Materials auf den Wänden der Formgebungsvorrichtung wesentlich verringert ist. Diese geringere Reibung ermöglicht, sowohl die Produktion zu erhöhen als auch den Verschleiß des Extruders und/oder der Formgebungsvorrichtung zu reduzieren, Zwischenfälle aufgrund von unbeabsichtigter Blockierung von Material in der Formgebungsvorrichtung zu reduzieren usw.
Es wurden gleichermaßen Probestücke aus PET, POM und PE hoher Dichte (PEHD) hergestellt, indem ein radiales elektrisches Feld von 5.000.000 Volt/m in der Formgebungsvorrichtung aufgebracht wurde, und weitere Probestücke in der Formgebungsvorrichtung ohne Aufbrin gen eines elektrischen Feldes. Es wurde auf diese Weise eine im Wesentlichen gleiche Zugfestigkeit für die Probestücke mit elektrischem Feld wie für die Probestücke ohne elektrisches Feld beobachtet. Jedenfalls was den Elastizitätsmodul betrifft, wurde beobachtet, dass die Probestücke aus POM und PET bei Anwendung eines elektrischen Feldes einen um ungefähr 60% höheren Elastizitätsmodul aufweisen im Vergleich zum Modul einer Probe, die ohne elektrisches Feld hergestellt wurde. Beim Tempern der Probestücke, die mit einem elektrischen Feld hergestellt wurden (Tempern über 48 Stunden bei einer Temperatur von 20°C über der Glasumwandlungstemperatur durchgeführt), wiesen die mit einem elektrischen Feld hergestellten und getemperten Probestücke einen noch um ungefähr 20 bis 30% höheren Elastizitätsmodul auf als der Elastizitätsmodul von Probestücken, die nicht mit einem elektrischen Feld hergestllt und getempert wurden.
Die folgende Tabelle gibt den Elastizitätsmodul nach Young (ausgedrückt in MPa) für eine ahne elektrisches Feld geformte Probe (A), eine ohne elektrisches Feld hergestellte aber getemperte Probe (B) und eine mit elektrischem Feld hergestellte Probe dar.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Herstellung von verschiedenen Teilen verwendet werden, wie Formteile, extrudierte Teile, Platten, Schienen, Winkel, Folien, Kanäle (zum Beispiel für Kabel), T-Profile, U-Profile, I-Profile, L-Profile, X-Profile usw.

Claims

Verfahren zur Umformung von thermoplastischen Materialien, die eine Schmelztemperatur und eine Erstarrungstemperatur aufweisen, bei dem das thermoplastische Material auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur erwärmt wird, bei dem das erwärmte Material in einer Formgebungsvorrichtung umgeformt wird, indem die Temperatur des thermoplastischen Materials auf eine Temperatur mindestens nahe der Schmelztemperatur bis auf eine Temperatur unter der Erstarrungstemperatur gesenkt wird, und bei dem das thermoplastische Material vor seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass das thermoplastische Material vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einerseits einer positiven Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material und andererseits einer negativen Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material dem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das thermoplastische Material vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einerseits einer positiven Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material und andererseits einer negativen Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material einem elektrostatischen Feld von mindestens 800.000 V/m, bevorzugt mindestens 1.000.000 V/m ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das thermoplastische Material sich vor und/oder während seinem Durchlauf in der Formgebungsvorrichtung zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material verlagert, wobei das Feld im Wesentlichen senkrecht zum Materialfluss zwischen einerseits einer positiven Elektrode in Kontakt mit dem thermoplastischen Material und andererseits einer negativen Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrostriktionseffekt im thermoplastischen Material zwischen der positiven Elektrode und der negativen Elektrode oder Masse auftritt.
Verfahren zur Umformung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem ein thermoplastisches Material umgeformt wird, das mindestens ein kristallines oder semikristallines Polymer oder Copolymer enthält, das eine Schmelztemperatur aufweist, eine Kristallisationstemperatur unter der Schmelztemperatur und eine Glasübergangstemperatur, wobei das Polymer oder Copolymer bevorzugt im Wesentlichen einzig feste Kristalle unter der Kristallisationstemperatur aufweist, bei dem das Material auf eine Temperatur über der Schmelztemperatur des kristallinen oder semikristallinen Polymers oder Copolymers erwärmt wird, und bei dem das erwärmte Material in einer Formgebungsvorrichtung umgeformt wird, indem die Temperatur des Materials von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur unter der Glasübergangstemperatur des kristallinen oder semikristallinen Polymers oder Copolymers gesenkt wird, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens für eine Temperatur oder einen Temperaturbereich über der Glasübergangstemperatur, bevorzugt über der Kristallisationstemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens beim Absenken der Temperatur von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur zwischen der Glas übergangstemperatur und der Kristallisationstemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens beim Absenken der Temperatur von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur oder nahe der Kristallisationstemperatur bis auf eine Temperatur nahe der Glasübergangstemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens für eine Temperatur nahe der Schmelztemperatur sowie für einen Temperaturbereich zwischen einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur und einer Temperatur zwischen der Kristallisationstemperatur und der Glasübergangstemperatur, das Material einem elektrostatischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld eine Intensität von mindestens 1.000.000 Volt/m, bevorzugt von mindestens 2.000.000 Volt/m aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mindestens radial oder senkrecht zur Flussrichtung des Materials einem elektrischen Feld ausgesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material mindestens ein Additiv zur Verbesserung der dielektrischen Eigenschaften enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material ein PET ist, eventuell geladen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formgebungsvorrichtung eine Abkühlvorrichtung eines Extruders oder eine Gussform ist und/oder dadurch, dass das elektrische Feld in der Düse eines Extruders angewendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse oder die Formgebungsvorrichtung einen Stempel umfasst, der dazu vorgesehen ist, die innere Form des Extrudats oder extrudierten Produkts zu formen, und eine Wand, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Extrudats oder extrudierten Produkts zu formen, und dadurch, dass ein elektrisches Feld radial zwischen dem Stempel und der Wand erzeugt wird, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Extrudats oder extrudierten Produkts zu formen, wobei der Stempel mit Vorteil eine negative Elektrode oder Masse bildet, während die Wand mit Vorteil eine positive Elektrode bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch isolierendes Fluid zum Abkühlen der positiven Elektrode verwendet wird.
Produkt gebildet aus einem kristallinen oder semikristallinen Polymer oder Copolymer erhalten durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 15.
Vorrichtung zur Formgebung eines thermoplastischen Materials nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Düse oder eine Formgebungskammer, die einen Durchgang zum Einführen des thermoplastischen Materials aufweist, wobei die Kammer oder Düse eine oder mehrere Wände in Kontakt mit dem thermoplastischen Material aufweist; ein Abkühlmittel zum mindestens teilweisen Abkühlen einer oder mehrerer Wände; und ein Mittel zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes in der Formgebungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung umfasst: ein Mittel zum Verbinden mindestens einer Wand oder eines Teils der Wand der Kammer oder Düse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material mit einer Elektrizitätsquelle zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen mindestens dieser Wand oder Teils der Wand und einer anderen Wand oder Teils der Wand der Kammer oder Düse.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein erstes Mittel zum Verbinden mindestens einer ersten Wand oder eines Teils der Wand mit einem Pol einer Elektrizitätsquelle umfasst und ein zweites Mittel zum Verbinden einer anderen Wand oder eines Teils der Wand mit einem anderen Pol der Elektrizitätsquelle oder der Masse derart, dass die erste Wand oder Teil der Wand eine positive Elektrode bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Mittel zum Erzeugen eines elektrostatischen Feldes zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode oder Masse in Kontakt mit dem thermoplastischen Material umfasst oder diesem zugeordnet ist, wobei das Mittel zwischen den Elektroden oder zwischen der positiven Elektrode und der Masse ein elektrostatisches Feld von mindestens 800.000 V/m, bevorzugt mindestens 1.000.000 V/m erzeugt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die positive(n) Elektrode(n) und negative(n) Elektrode(n) oder Masse Wände eines Kanals bilden, in dem sich in eine Richtung das thermoplastische Material verlagert, wobei die Elektroden oder Masse angeordnet sind, um ein elektrostatisches Feld im Wesentlichen senkrecht zur Flussrichtung des Materials im Kanal zu erzeugen.
Vorrichtung zur Formgebung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Düse umfasst, die einer Umformungskammer zugeordnet ist, und Mittel zum Anschließen einer oder mehrerer Wände der Düse und der Umformungskammer an mindestens einer Elektrizitätsquelle, um ein elektrostatisches Feld in der Düse und ein elektrostatisches Feld in der Umformungskammer zu erzeugen.
Vorrichtung zur Formgebung nach einem der Ansprüche 18 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformungskammer eine mit einer Extrusionsdüse verbundene Abkühlvorrichtung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände oder Teile der Wände, zwischen denen ein elektrostatisches Feld erzeugt wird, so angeordnet sind, dass ein radiales elektrisches Feld erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Erzeugen eines elektrischen Feldes in Bezug auf das Abkühlmittel angeordnet ist, um ein elektrisches Feld mindestens in einer Zone der Umformungskammer zu erzeugen, in der das Material von einer Temperatur über der Kristallisationstemperatur oder nahe der Kristallisationstemperatur auf eine Temperatur unter der Kristallisationstemperatur, bevorzugt nahe zu oder im Wesentlichen gleich der Glasübergangstemperatur durchläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Stempel umfasst, der dazu vorgesehen ist, die innere Form des Produkts zu formen, das in der Umformungskammer geformt wird, wobei diese eine Wand aufweist, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Produkts zu formen, und dadurch, dass der Stempel und die Wand, die dazu vorgesehen ist, die äußere Form des Produkts zu formen, Elektroden bilden oder eine Elektrode und eine Masse zum Erzeugen eines radialen elektrischen Feldes, wobei der Stempel mit Vorteil eine negative Elektrode oder die Masse bildet, während die Wand mit Vorteil eine positive Elektrode bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine positive Elektrode und eine negative Elektrode umfasst, die angeordnet sind, um dazwischen ein elektrisches Feld auszubilden und Wände der Umformungskammer in Kontakt mit dem thermoplastischen Material bilden, wobei die positive Elektrode mit Vorteil aus Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei die Kontaktfläche der Elektrode mit dem thermoplastischen Material bevorzugt mit einer Aluminiumoxidschicht von mindestens 25 μm Dicke ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände der Umformungsvorrichtung oder der Abkühlvorrichtung und/oder der Düse in Kontakt mit dem Material mit Aluminiumoxid ausgerüstet sind, insbesondere mit einer Schicht überzogen sind, die Aluminiumoxid enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Umformungskammer eine Gussform ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Isoliermittel sich zwischen der positiven Elektrode oder mit dem positiven Pol einer Stromquelle verbunden und der Masse oder negativen Elektrode oder mit dem negativen Pol einer Stromquelle verbunden erstrecken, wobei ein Isoliermittel mit Vorteil durch eine Schicht eines isolierenden oder dielektrischen Fluids oder einer Flüssigkeit gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kammer in Kontakt mit der positiven Elektrode aufweist, in der sich isolierende Flüssigkeit oder Fluid befindet, und dadurch, dass sie Durchgänge in Verbindung mit der Kammer aufweist, wobei die Durchgänge mit einem Mittel versehen sind, um die Kammer mit einem Zirkulationssystem für isolierende Flüssigkeit oder Fluid zu verbinden, wobei das System mit Vorteil ein Abkühlsystem umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der positiven Elektrode oder der positiven Elektroden in Kontakt mit dem Material, Länge berechnet in Vorschubrichtung des Materials in der Umformungskammer oder Düse, über 5 cm beträgt, mit Vorteil mehr als 10 cm, insbesondere mehr als 20 cm.