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Verarbeitung von PVC auf kalandern. Formgebung im walzenspalt

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Die Angewandte Makromolekulare Chemie 41 (1975) 257-267 ( N r . 730)
BASF Aktiengesellschaft, D 6700 Ludwigshafen
Verarbeitung von PVC auf Kalandern
Formgebung im Walzenspalt
Gunter Hatzmann*, Martin Herner und Gunter Miiller
(Eingegangen am 17. April 1975)
ZUSAMMENFASSUNG:
Die Formgebung im Walzenspalt des Kalanders ist gepragt durch das Vorhandensein
eines spindelformigen Wulstes aus uberschussiger Schmelze des Masseknetes vor dem
Spalt. Die durch die Schleppstromung der Walzen in den Spalt geforderte Schmelze
erleidet dort eine teilweise Stromungsumkehr. Die umgelenkte Schmelze stromt in den
Masseknet und wird durch Schmelze, die aus dem Knet in den Spalt gefordert wird,
ersetzt. Die Stromungsvorgange im Innern des Masseknetes werden von seiner PuSeren
Bewegung, einer durch eine spiralenformige Wellenbewegung uberlagerten Rotationsbewegung, mitgepragt und bestimmen in entscheidender Weise die Folienqualitat. Der
Masseknet wird aus der im Spalt stark gescherten Schmelze gebildet und weist dementsprechend hohe Temperaturen auf. Die Venveilzeit der Schmelze im Masseknet ist daher
wesentlich fur die thermische Belastung wahrend des Kalandriervorganges.
Beim Luvithermverfahren, bei dem auf dem Kalander noch keine echte Schmelze
vorliegt, sammelt sich das im Spalt abgescherte Material in Form von Schuppen vor
dem Walzenspalt an und wird in unregelmahger Folge wider in den Spalt eingezogen.
Auch hier ist der Kalandriervorgang durch die FlieBverhaltnisse im Einzugsbereich
des Walzenspaltes gepragt.
SUMMARY:
Shaping in the nip of the calender is characterized by the presence of a spindle-shaped
bead of superfluous melt, i.e. bank, front of the nip. The melt transported to the nip
by the drag set up by the rolls is then subjected to partial change in flow. The rerouted
melt flows into the bank and is replaced by melt transported from the bank into
the nip. The currents at the interior of the bank are also governed by its outer movement,
a rotating movement, which is superimposed by a spiral undulation, and this decisively
affects the quality of the film. The bank is formed by the melt which is severely sheared
*
Vorgetragen auf der PVC-Diskussionstagung des Deutschen Kunststoff-Instituts in
Darmstadt am 27. September 1974.
257
G. Hatzmann, M. Herner und G. Muller
in the nip and high temperatures are correspondingly displayed. The length of time
the melt remains in the bank is thus decisive for thermal loading during calendering.
With the Luvitherm process, in which no true melt is present in the calender sheared
material is collected in the nip in flake form before the nip and is again drawn through
the nip in irregular sequence. Here also, calendering is governed by the flow conditions
at the entrance to the nip.
Einfihrung
Das Kalandrieren, d. h. die Ausformung eines plastischen Materials zwischen
beheizten Waken, nimmt unter den Verfahren der Thermoplastverarbeitung
eine gewisse Sonderstellung ein, insofern, als es fast ausschlienlich bei der
PVC-Verarbeitung angewandt wird, dort aber grol3e Bedeutung erlangt hat.
Kalander
Abb. 1. Formungsmoglichkeiten bei der Thermoplastverarbeitung.
Ferner zeigt es auch aus verfahrenstechnischer Sicht einige Besonderheiten
gegenuber den anderen Verfahren.
In Abb. 1 sind die Grundzuge der drei wichtigsten Verfahren der Thermoplastverarbeitung - Extrusion, Spritzgun und Kalandrierung - schematisch
aufgezeigt. Bei den beiden ersten Verfahren erfolgt die Formung der Schmelze
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PVC-Verarbeitung auf Kalandern
zwischen den feststehenden Oberflachen des Werkzeuges. Der fur die Formung
notwendige Druckaufbau der Schmelze erfolgt in einem eigenen ,,AuspreDteil",
ublicherweise mit einer Schnecke. Druckaufbau und Formgebung sind hier
also raumlich getrennt.
Bei der Formung im Walzenspalt ubernehmen dagegen die Walzen sowohl
Materialtransport und Druckaufbau als auch die Formung. Die Formung
erfolgt hier zwischen bewegten Grenzflachen, die in der Praxis zudem noch
unterschiedliche Geschwindigkeiten aufweisen. Dementsprechend zeigt der
MassefluD beim Kalandrieren charakteristische Unterschiede gegenuber dem
der anderen Verfahren.
Wahrend in der Duse in erster Naherung eine Druckstromung vorliegt,
bei der die FlieDgeschwindigkeit zur Grenzflache hin abnimmt, ist bei der
Formung zwischen Walzen eine Schleppstromung zu envarten, die ein umgekehrtes FlieDprofil erwarten lafit. Daruber hinaus kommt es durch den im
Spalt herrschenden hohen Walzendruck zu einer teilweisen Umkehr der
Stromungsrichtung. Die zuruckfliel3ende Schmelze bildet den fur den Kalandriervorgang typischen Masseknet, einen Wulst uberschussiger Schmelze vor
dem Walzenspalt.
Ein Schnitt durch den Walzenspalt mit dem davor liegenden Masseknet
ist in Abb. 2 wiedergegeben. Die Heile deuten summarisch die FlieSrichtung
der Schmelze an. Die vor dem Spalt abgepreDte Schmelze stromt in den
Masseknet und verteilt sich dort. Gleichzeitig wird aber aus dem Masseknet
durch die Schleppkraft der Walzen wieder Schmelze in den Spalt gefordert,
so daD sich letztlich ein dynamisches Gleichgewicht zwischen zuruckfliefiender
und in den Spalt geforderter Schmelze einstellt. Die Stoffbilanz ergibt, daD
Abb. 2. Schematische Darstellung der Fliefivorgange im Walzenspalt ; Schnitt durch
einen Kalanderwalzenspalt mit dem davor liegenden Masseknet.
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G. Hatzmann, M. Herner und G. Miiller
von der durch die untere Walze in Abb. 2 antransportierten Schmelzenbahn
die der Walze anliegende untere Halfte unverandert durch den Spalt lauft.
Die obere Halfte wird dagegen abgeschert, in den Masseknet umgelenkt und
durch Schmelze aus dem Masseknet ersetzt. Eine kalandrierte Folie ist also
strenggenommen zweischichtig aufgebaut, eine Tatsache, die sich in speziellen
Fallen in den Folieneigenschaften bemerkbar machen kann.
Verweilzeit im Masseknet
Die Stromungsumkehr im Walzenspalt bedingt eine starke Scherung der
Schmelze. Das hat zur Folge, da13 der aus gescherter Schmelze aufgebaute
Masseknet stets eine hohere Temperatur aufweist als die Walzenoberflache
bzw. die einlaufende Schmelzenbahn. Dieser Unterschied kann schon bei
relativ niedrigen Kalandriergeschwindigkeiten 10"C und mehr betragen und
nimmt mit steigender Geschwindigkeit noch zu. Die Verweilzeit der Schmelze
im Masseknet hat daher entscheidenden EinfluB auf die thermische Belastung
der PVC-Schmelze wahrend des Kalandriervorganges. Eine Aussage daruber
-
3
1
Zeit Iminl
5
3
1
Zeit [rninl
-
5
Abb. 3. Verweilzeit im Masseknet; Abnahme des zum Zeitpunkt to vorhandenen Knetmaterials iiber der Zeit bei verschiedenen Foliendicken und KnetgroDen.
260
PVC- Verurbeirung auf Kdundern
kann man erhalten, wenn man die Abnahme der zu einem bestimmten Zeitpunkt to den Masseknet bildenden Schmelze uber die Zeit verfolgt. Experimentell gelingt dies, wenn man, ausgehend von einer mit Titandioxid pigmentierten
Schmelze, rasch auf eine unpigmentierte Schmelze umstellt, so daD zum Zeitpunkt to der gesamte Knet noch aus pigmentierter Schmelze, die einlaufende
Schmelzenbahn dagegen aus unpigmentierter Schmelze besteht. Aus der zeitlichen Abnahme des Ti0,-Gehaltes der nun aus dem Spalt austretenden
Folie 1aDt sich dann entnehmen, welche Zeit fur den Austausch der zum
Zeitpunkt t o den Knet bildenden Schmelze erforderlich ist.
In Abb. 3 ist die Abnahme des ursprunglichen Knetmaterials von 100
auf 1% uber der Zeit fur verschiedene Foliendicken und KnetgroDen dargestellt.
Diese beiden Faktoren beeinflussen die Verweilzeit erwartungsgemaI3am starksten, besonders drastisch die KnetgroDe.
Die hier ermittelten Zeiten beziehen sich jeweils auf einen Spaltdurchgang.
Beim Kalandrieren werden aber ublichenveise mehrere Spalte durchlaufen,
so daI3 sich die Verweilzeiten entsprechend vervielfachen. Die Verweilzeiten
auf den Walzen, die sich aus der Umfanggeschwindigkeit leicht errechnen
lassen, spielen gegeniiber denen in den Massekneten eine untergeordnete Rolle.
Stromungsverlauf im Masseknet
Uber den Stromungsverlauf der PVC-Schmelze im Innern des Masseknetes
gibt es bisher nur wenige Angaben. Unkruer' hat diese Frage im Rahmen
einer Arbeit uber die Vorgange im Walzenspalt untersucht. Er fand, daD
sich im Masseknet drei charakteristische Wirbel - der Einlaufwirbel, der
Knetwirbel und der Auslaufwirbel - ausbilden.
Durch eine ahnliche Arbeitsweise, wie sie zur Ermittlung der Verweilzeiten
angewandt wurde, konnte der Stromungsverlauf im Knetinnern sehr gut
sichtbar gemacht werden. Dazu wurde wahrend des Farbuberganges zwischen
zwei unterschiedlich pigmentierten Mischungen der Kalander angehalten und
der Knet nach Abkuhlung herausgenommen. Abb. 4 zeigt einen Schnitt durch
einen so praparierten Masseknet, der die vom Spalt in den Knet einstromende
Schmelze und die Aufteilung der Schmelzenstrome im Knetinnern erkennen
1aDt. Schneidet man einen Masseknet an verschiedenen Stellen, so zeigen
diese Schnitte jedoch z. T. hiervon stark abweichende Stromungslinien. Eine
Erklarung dafur ergibt sich durch eine Analyse dieser verschiedenen
Stromungsbilder in Abhangigkeit von der auDeren Knetbewegung.
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G. Hatzmann, M. Herner und G. Miiller
Abb. 4. Stromungslinienim Masseknet ;Schnitt durch einen wahrend eines Farbwechsels
isolierten Masseknet.
Abb. 5. Schematische Darstellung eines Masseknetes vor dem Walzenspalt eines Kalanders.
In Abb. 5 ist ein Masseknet in der Aufsicht schematisch skizziert. Er hat
eine zigarrenformige Gestalt und fuhrt eine Rotationsbewegung - meist zur
unbedeckten Wake hin - aus. Dieser Bewegung' ist eine spiralformig uber
den Knet laufende Wellenbewegung uberlagert. Sie kommt dadurch zustande,
daS der Knetdurchmesser zum Rand hin abnimmt und der Knet dort eine
entsprechend hohere Umfangsgeschwindigkeit aufweist.
262
PVC-Verarbeitung auf Kalandern
Die Wellenbewegung des Masseknetes wirkt sich, wie Abb. 6 erkennen
la&, auf die Stromungslinien im Knetinnern aus. Abb. 6 zeigt dicht hinereinander liegende Schnitte durch einen im Stadium des Farbwechsels isolierten
Masseknet. Der Knet wurde in der Weise geschnitten, daD gerade der gesamte
Durchlauf eines ,,Wellenberges" erfaDt wird. Abb. 6a zeigt den Zustand vor
der Wellenfront. Man sieht, daD die aus dem Spalt zuruckstromende Schmelze
ziemlich genau in die Knetmitte flieDt und sich dort auf zwei FlieDwegeaufteilt.
Die Hauptmenge flieSt zur unteren, der kleinere Teil zur oberen Halfte hin.
Abb. 6. Stromungslinien im Masseknet. Der Masseknet wurde im Bereich eines Wellendurchganges in dunne Scheiben geschnitten.
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G. Hatzmann, M. Herner und G. Mullet
Die folgenden Schnitte lassen erkennen, wie mit der Wellenfront, erkenntlich
an der von unten nach oben (Abb. 6a, b) wandernden Ausbauchung des Knetumfanges, nun die Umlenkzone der unteren Knethalfte erfaDt und nach
oben gefordert wird. Gleichzeitig wird die Schmelze in der oberen Knethalfte
zum Knetmittelpunkt hin gedriickt. Sie bildet dabei kurzzeitig eine Art Zentralwirbel. Durch den Druck der oberen Knethalfte wird die aus dem Spalt
zuriickstromende Schmelze nach unten abgebogen. Nach Durchlaufen der
Wellenfront stellt sich dann langsam der anfangliche Zustand wieder ein.
Man erkennt ferner, daD die durch die Wellenbewegung zur oberen Walzengrenzflache transportierte Schmelze nicht direkt in den Spalt stromt, sondern
abgeknickt und zum Teil nochmals im Knet verwirbelt wird.
Aus diesen Stromungsbildern folgt, da13 sich in einem rotierenden Masseknet
vor einem Kalanderwalzenspalt zwar definierte Stromungsfelder ausbilden,
die aber nicht stationar sind, sondern vielmehr gemaB der auDerlich erkennbaren Wellenbewegung eine stete Verschiebung erleiden.
Die Stromungsverhaltnisse im Masseknet bewirken nicht nur eine Durchmischung und Scherung der Schmelze, sondern beeinflussen auch das aul3ere
Folienbild. Das betrifft vor allem die Ausbildung V-formiger FlieDstrukturen,
die fur kalandrierte Folien typisch sind und die mit zunehmender Kalandriergeschwindigkeit immer intensiver werden. Der Zusammenhang mit dem Masseknet ergibt sich daraus, daD sie genau das Bild der abgerollten Wellenbewegung
des Knetes wiedergeben. Es handelt sich um Verdickungen der Folie, deren
Entstehung durch eine elastische Verformung erklart werden kann, die der
Masseknet an einer Wellenfront erleidet und die sich nach dem Spaltdurchgang
teilweise wieder zuriickstellt. Diese FlieBstrukturen stellen eine Beeintrachtigung der optischen Qualitat der Folie dar. Will man ihnen entgegenwirken,
so mu13 dies uber eine Beeinflussung der im Walzenspalt vorliegenden
Stromungsverhaltnisse entweder durch rezeptive oder durch verfahrenstechnische Maonahmen erfolgen.
Doppelbeschickung eines Kalanderwalzenspaltes
Die Besonderheiten der Formgebung im Walzenspalt lassen sich zu interessanten Effekten ausnutzen. So kann man einem Walzenspalt statt wie ublich
von einer Seite her auch von zwei Seiten Schmelze zufiihren (Abb. 7). Ein
derartiger Kalander ist in der Patentliteratur beschrieben. Nach dem zuvor gesagten ist zu erwarten, daB auch bei einer solchen Verfahrensweise jeweils die
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PVC-Verarbeitung auf Kalandern
der Walze anliegende Schicht der Schmelzenbahn unverandert durch den
Spalt lauft. Bei Beschickung mit unterschiedlich pigmentierten Schmelzen
sollte demzufolge die den Spalt verlassende Folie zwei unterschiedlich, aber
jeweils einheitlich gefarbte Oberflachen besitzen. Das trifft, wie die beiden
Oberflachen einer solchen Folie aus einer roten und einer weiB pigmentierten
Mischung erkennen lassen, auch tatsachlich zu.
Abb. 7. Schematische Darstellung der Beschickung eines Kalanderwalzenspaltes von
zwei Seiten.
Uberraschend war zunachst, daB die Folie streng zweischichtig aufgebaut
war und keine Mischfarbe im Folieninnern erkennbar war. Diese Tatsache
erklart sich wieder aus den Stromungsverhaltnissen im Einzugsbereich des
Walzenspaltes. Der Schnitt durch den Masseknet zeigt, daB auch bei einer
Beschickung von zwei Seiten jeweils ein Teil der einlaufenden Schmelzenbahnen
in den Knet umgelenkt wird. Im Knetinnern erfolgt wieder eine Durchmischung. Im Gegensatz zur normalen Verfahrensweise wird bei der Doppelbeschickung aber im Bereich der einlaufenden Schmelzenbahnen keine Schmelze
aus dem Knet durch den Spalt gefordert. Sie flieBt vielmehr uber die Breite
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G. Hatzmann, M. Herner und G. Miiller
der Schmelzenbahnen hinaus zum Walzenrand hin und wird erst dort durch
den Walzenspalt gefordert. Diese Arbeitsweise bietet somit eine Moglichkeit
zur direkten Kalandrierung von zweischichtigen PVC-Folien.
Luvitherm- Verfahren
Bei den bisher geschilderten FlieBvorgangen wurde davon ausgegangen,
daB bei der Formung im Walzenspalt eine echte Schmelze vorliegt. Das
ist aber nicht in jedem Fall so. Beim Luvitherm-Verfahren, einem Verfahren
zur Kalandrierung von PVC-Folien, bei dem E-PVC mit hohem Molekulargewicht bei relativ niedrigen Kalanderwalzentemperaturen verarbeitet wird, liegt
auf dem Kalander noch keine echte Schmelze vor. Dementsprechend ist die
hier im Walzenspalt ausgeformte Folie noch sehr sprijde und mu13 in einem
zweiten Schritt durch kurzzeitiges Erhitzen auf sehr hohe Temperaturen thermisch vergutet werden.
Bei diesem Verfahren bildet sich vor dem Spalt kein rotierender Knet
aus, sondern eine schuppige Masse, dieje nach Rezept und Verarbeitungsbedingungen unterschiedliche Form besitzen kann. Die Untersuchung dieser Masseknete nach der zuvor beschriebenen Technik des Farbwechsels zeigte, dal3
auch hier ein Teil der in den Spalt einlaufenden Bahn abgeschert und umgelenkt
wird. Die Stromungsvorgange im Knet selbst unterscheiden sich dagegen
betrachtlich von denen in einem plastischen Masseknet.
Abb. 8 zeigt einen Schnitt durch einen Luvitherm-Masseknet. Die
Ruckstromung erfolgt nicht in der Mitte des Knetes, sondern das Material
wird im Spalt regelrecht abgehobelt und zuruckgedrangt. Es sammelt sich
hinter dem Knetkern in Form von Schuppen an. Diese werden in unregelmal3iger Folge von der Oberwalze erfaBt und in den Spalt eingezogen. Die Einzugsverhaltnisse hangen in starkem MaBe von der Schuppenform ab, die ihrerseits
durch das Rezept und die Verarbeitungsbedingungen gepragt wird.
Auch hier bestimmen wie beim Hochtemperaturverfahren die jeweiligen im
Einzugsbereich des Walzenspaltes vorliegenden FlieDverhaltnisse in entscheidender Weise die Folienqualitat. So konnen beispielsweise Nahtstellen zwischen den in den Spalt eingezogenen Schuppen bei ungenugender VerschweiBung zu einer storenden Streifenbildung in der Folie fuhren.
Beide Verfahren zur Formung im Walzenspalt sind demnach durch das
Vorhandensein eines Materialuberschusses, des Masseknetes, vor dem Walzen266
PVC-Verarbeitung auf Kalandern
Abb. 8. Schnitt durch einen wahrend eines Farbwechsels isolierten Luvitherm-Masseknet.
spalt charakterisiert. Der Masseknet wird durch das aus dem Spalt
zuruckstromende Material gespeist, wahrend gleichzeitig Material aus dem
Knet durch den Spalt gefordert wird. Dieser Materialaustausch erfolgt in
gesetzmaoiger Weise und bewirkt besonders beim Hochtemperatur-Verfahren
eine Durchmischung und Homogenisierung der Schmelze. Daruber hinaus
haben die Stromungsverhaltnisse im Masseknet und im Einzugsbereich des
Walzenspaltes charakteristische Auswirkungen auf die Folienqualitat.
W. Unkruer, Kunststoff-Berater 17 (1972) 1057
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