Verfahren zur Herstellung eines oberfl?chenstrukturierten, folienartigen Halbzeugs mit Druckanwendung
German Patent DE
The invention relates to a method for producing a surface-structured, film-like semifinished product made of a thermoplastic which is applied onto a prepared surface (5) with numerous fine cavities provided in the form of pocket borings and is correspondingly shaped. The solidified plastic material is removed from the surface as a structured film, whereby the thermoplastic material which is inserted into the cavities and removed from the same forms a pile comprised of projections and neps. The projections which form the pile are stretched by combing, brushing, using a squeegee, and/or by squeezing by shearing in order to form naps.
Inventors:
WAGNER WERNER (ES)
Application Number:
Publication Date:
03/30/2000
Filing Date:
09/21/1998
Export Citation:
WAGNER, WERNER
International Classes:
Domestic Patent References:
DEN/ADEN/A
Foreign References:
1. Verfahren zur Herstellung eines oberfl?chenstrukturier-ten, folienartigen Halbzeugs aus einem Thermoplasten, mit folgenden Verfahrensschritten:
? ein thermoplastisches Kunststoffmaterial wird in ge-schmolzenem Zustand oder in Form einer Folie auf eine in ihrer Temperatur einstellbare, gegenüber der er-wünschten Struktur als Negativstruktur (Matrix) aus-gearbeitete Oberfl?che (5) mit gegenüber dem Kunst-stoffmaterial geringer Adh?sionsneigung und mit zahl-reichen feinen Kavit?ten in Form von Sackbohrungen auf-gebracht und wenigstens im Kontaktbereich mit der Ober-fl?che auf Schmelztemperatur gehalten,
? durch Druck auf das Kunststoffmaterial wird dieses in die Kavit?ten unter Kompression des in den Kavit?ten vorhandenen Restvolumens eingedrückt, so dass die Matrix gefüllt wird, die Kavit?ten jedoch vom thermo-plastischen Kunststoffmaterial nur teilweise ausge-füllt werden,
? das verformte thermoplastische Kunststoffmaterial wird ? noch auf der Oberfl?che liegend ? durch Abkühlung zum Erstarren gebracht, wobei es auf der mit der Ober-fl?che in Kontakt gebrachten Seite die entsprechende Fl?chenstruktur annimmt,
? der Druck auf das Kunststoffmaterial wird aufgehoben, wodurch die im Inneren der Kavit?ten komprimierte Luft das Kunststoffmaterial wenigstens teilweise heraus-drückt,
? das erstarrte Kunststoffmaterial wird von der Ober-fl?che als strukturierte Folie abgezogen, wobei das in die Kavit?ten eingebrachte und aus diesen herausgezo-gene thermoplastische Material einen aus Vorsprüngen und Noppen bestehenden Flor bildet.
Description:
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines oberfl?chenstrukturierten, folienartigen Halbzeugs aus einem Thermoplasten, bei dem ein thermoplastisches Kunststoffma-terial in geschmolzenem Zustand oder in Form einer Folie auf eine in ihrer Temperatur einstellbare, gegenüber der er-wünschten Struktur als Negativstruktur (Matrix) ausgearbei-tete Oberfl?che mit gegenüber dem Kunststoffmaterial gerin-ger Adh?sionsneigung und mit zahlreichen feinen Kavit?ten aufgebracht und wenigstens im Kontaktbereich mit der Ober-fl?che auf Schmelztemperatur gehalten wird. Das verformte thermoplastische Kunststoffmaterial wird ? noch auf der Oberfl?che liegend ? durch Abkühlung zum Erstarren gebracht, wobei es auf der mit der Oberfl?che in Kontakt gebrachten Seite die entsprechende Fl?chenstruktur annimmt. Das er-starrte Kunststoffmaterial wird von der Oberfl?che als struk-turierte Folie abgezogen, wobei das in die Kavit?ten einge-brachte Material einen aus Vorsprüngen und Noppen bestehen-den Flor bildet. Die Erfindung bezieht sich ferner auf nach dem Verfahren hergestellte Produkte sowie auf eine Vorrich-tung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der Patentschrift DE 195 24 076 C1 ist bekannt, oberfl?-chenstrukturierte, folienartige Halbzeuge aus einem Thermo-plasten dadurch herzustellen, dass das thermoplastische Kunststoffmaterial in geschmolzenem Zustand auf eine zylin-drische, drehbare und in ihrer Temperatur einstellbare Wal-zenoberfl?che extrudiert wird, wobei das thermoplastische Kunststoffmaterial die Oberfl?chenstruktur der Walzenober-fl?che satt kontaktiert. Das geschmolzene thermoplastische Kunststoffmaterial wird durch Abkühlen zum Erstarren ge-bracht und von der Walzenoberfl?che abgezogen. Hierbei er-gibt sich entsprechend den vorhandenen feinen Kavit?ten eine entsprechende noppenartige oder florartige Oberfl?che des entstandenen folienartigen Halbzeugs. Es ist weiterhin be-kannt, Kunststoffolien zu pr?gen oder im Tiefziehverfahren zu verformen.
Es hat sich herausgestellt, dass es sehr schwierig ist, mit dem genannten Verfahren die Oberseite einer Kunststoffolie mit sehr feinen Vorsprüngen und Noppen, beispielsweise in der Gr?ssenordnung 3 000 bis 20 000 Stück pro cm2, zu belegen. Aus den tiefen Kavit?ten des Werkzeugs lassen sich die Folienh?rchen nur sehr schwer herausziehen. Erfahrungs-gem?ss bleibt immer ein gewisser Prozentsatz an Kunststoff-Folienh?rchen in den Kavit?ten h?ngen, so dass diese beim n?chsten Arbeitsgang für eine Vorsprungformung ausfallen und damit nach kurzer Zeit das entstandene Produkt nicht mehr brauchbar ist.
Es stellt sich demnach die Aufgabe, aus einem Thermoplasten im Giess- oder Auflegverfahren ein Halbzeug herzustellen, bei dessen Verfahrensschritten es nicht zu Abrissen der in den feinen Kavit?ten entstandenen Vorsprüngen oder Noppen kommt, sondern bei dem eine geschlossene Oberfl?che in vielen Ar-beitsg?ngen gleichm?ssig erstellbar ist.
Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens gel?st, dass die Verfahrensschritte gem?ss Patentanspruch 1 aufweist.
Insbesondere durch Druck auf das Kunststoffmaterial wird dieses in die Kavit?ten unter Kompression des in den Kavi-t?ten vorhandenen Restvolumens eingedrückt, wobei überdrücke von 2 bis 5 bar entstehen k?nnen, so dass die Matrix gefüllt wird, die Kavit?ten jedoch vom thermoplastischen Kunststoff-material teilweise ausgefüllt werden. Wird der Druck auf das Kunststoffmaterial aufgehoben, so expandiert die im Inneren der Kavit?ten komprimierte Luft und drückt das Kunststoff-material teilweise aus den Kavit?ten heraus. Da die Vorsprün-ge und Noppen mit den übrigen Kunststoffmaterialien in Ver-bindung stehen, ist es nunmehr leicht, die zum Abriss neigen-den Vorsprünge und Noppen herauszuziehen.
Dabei wird vorausgesetzt, dass es sich bei der Matrix um eine solche handelt, die eine geringe Adh?sionsneigung gegenüber dem verwendeten Kunststoffmaterial aufweist. Hierbei wird insbesondere an Matrizen gedacht, die als Vollk?rper aus einem PTFE-Kunststoff an sich bekannter Art hergestellt sind.
Derartige Walzen sind in einer Grundversion in der Patentschrift DE 195 24 076 C1 beschrieben. Ein Einbringen der feinen Kavit?ten kann beispielsweise mit Hilfe einer Laser-Bohrvorrichtung durchgeführt werden. Insbesondere eignen sich zur Durchführung des Verfahrens Walzen mit Stahlkernen, die eine 0,5 bis 10 mm starke Kunststoffschicht aus einem Fluorkunststoff aufweisen. Ein solcher Fluorkunststoff kann beispielsweise Polyfluorethylen oder ein Fluor-Kautschuk sein, wie er unter dem Produktnahmen VITONTM von Du Pont angeboten wird. Die Kunststoffschicht muss eine Dauerbelastung von 2000 bis 250°C im Walzenbetrieb aushalten k?nnen. Andere geeignete Kunststoffe zur Walzen-beschichtung k?nnen auch aus der Gruppe der Polyimide oder Polysulfone gew?hlt werden. Insgesamt aus Stahl oder aus Stahl mit einer Metall- oder Legierungsbeschichtung bestehende Walzen sind auch einsetzbar.
Als zu verarbeitendes Kunststoffmaterial k?nnen Thermo-plasten ausgew?hlt , wie sie üblicherweise bekannt sind und beispielhaft in Unteranspruch 2 genannt sind.
Das Abziehen der strukturierten Folie geschieht bei einer Temperatur von 40° bis 60°C, so dass die Folie noch eine etwas weiche und leicht zu verarbeitende Konsistenz besitzt. Die Temperatur selbst, die das Giessen oder Schmelzen des Kunststoffes erm?glicht, ist üblichen Herstellerangaben zu entnehmen und von Fall zu Fall verschieden.
Vorzugsweise wird der Druck auf das Kunststoffmaterial in einem Walzenspalt, d. h. durch eine auf das Kunststoff-material drückende Walze, aufgebracht.
Weitere Merkmale, die sich auf Parameter der Noppen und Vor-sprünge beziehen, sind in den Ansprüchen 6 bis 8 enthalten.
Eine wesentliche Erweiterung erf?hrt das Verfahren durch den Verfahrensschritt, dass die den Flor bildenden Vorsprünge durch K?mmen, Bürsten, Rakeln und/oder Scherquetschen ge-reckt werden und dabei im Mittel die L?nge der Vorsprünge des Flors um wenigstens das Zweifache der Ursprungsl?nge vergr?ssert wird und ein auf wenigstens einer Seite faser-artig strukturiertes Halbzeug entsteht, bei dem die Vorsprün-ge zu Haarfasern gel?ngt sind. Diese Verfahrensschritte werden durch Verfahrensvarianten gem?ss den Unteransprüchen 10 bis 16 beschrieben.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Walzenpaar vorgesehen ist, von dem die eine Walze eine in ihrer Temperatur einstellbare, gegen-über der erwünschten Struktur als Negativstruktur (Matrix) ausgearbeitete Oberfl?che besitzt, die mit gegenüber dem Kunststoffmaterial geringer Adh?sionsneigung und mit zahl-reichen feinen Kavit?ten in Form von Sackbohrungen ausge-stattet ist und die auf einem Teil ihrer Oberfl?che auf die Schmelztemperatur des zur Verwendung kommenden Thermoplasten erhitzt werden kann. Mit der zweiten, vorzugsweise ebenfalls beheizten Walze des Walzenpaars ist das Kunststoffmaterial in die Struktur der erhitzten Walze eindrückbar. Vorhanden ist weiterhin eine Kühlvorrichtung, mit der die Walzen-oberfl?che und das darauf liegenden Kunststoffmaterial nach Durchlauf durch den Walzenspalt kühlbar ist, und eine Abzugsvorrichtung, mit der die erstarrte strukturierte Folie abziehbar ist.
?blicherweise wird also mit zwei Walzen gearbeitet, von denen die Matrixwalze bei einer Temperatur von 40°C gelassen wird und die zweite glatte Stahlwalze z. B. bei Polyethylen auf einer Temperatur von 140° ± 5°C gehalten ist. Die Folie durch Strahlungshitze wird die Kunststofffolie zus?tzlich erweicht und auf 145°C gebracht. Im Walzenspalt wird die Kunststoffmasse in die Matrix und in die Kavit?ten gedrückt und kühlt sich dadurch ab.
Weitere Merkmale, die sich auf die Vorrichtung zur Durch-führung des Verfahrens beziehen, sind in den Ansprüchen 18 bis 25 enthalten.
Produkte, die nach dem Verfahren hergestellt sind, k?nnen als Mono- oder Multilayerprodukte sowie als Vorprodukt und als Endprodukt mit gel?ngten Fasern hergestellt werden.
Es ist m?glich, dass die mit Flor versehene Schicht aus einem in der W?rme leichter fliessenden Polymer aus einem hochvisko-seren Polymer besteht.
Auch kann die dem Faserflor abgewandte Seite mit einem Tr?germaterial, beispielsweise Gewebe Gewirke oder Vlies-stoff verbunden sein.
Die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnung. Die Figuren der Zeichnung zeigen im einzelnen:
Fig. 1 in schematischer Seitenansicht eine Vorrichtung zur Herstellung eines thermoplastischen H
Fig. 2 ein Herstellungsverfahren mit einer flach liegenden Halbzeug-A
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Halbzeug-Schichtung gem?ss einer vorzugsweisen Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines folien-artigen Halbzeugs in verschiedenen Stufen. Im Ausführungs-beispiel wird zun?chst ein zweischichtiges Zwischenerzeugnis mit einer Noppenstruktur aus Polyethylen erzeugt.
Aus zwei Einschneckenextrudern (nicht dargestellt) wird aufgeschmolzenes und homogenisiertes Material über eine Mehrwegdüse mit den Mündungen 2 bis 2' eingespeist. Es wird dabei in den Extrudern ein Kompressionsverh?ltnis von 1÷:÷2,5 und eine Schneckentemperatur von 250°C eingehalten. Die beiden Polyethylen-Schmelzen 3, 3' werden unter konstantem Druck auf eine Chillroll-Matrixwalze 4 aufgebracht.
Die drehbare Matrixwalze 4, die mit einer negativ struktu-rierten Matrix?R
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5 versehen ist, besitzt zahlreiche feine Kavit?ten. Die gesamte Oberfl?che der Matrix 5 besteht aus einem Mantel von etwa 2 mm Dicke aus einem PTFE-Kunststoff, der neben einer Narbungsstruktur noch zahlreiche feine Kavit?ten in Form von Sackl?chern umfasst, die jeweils über eine Laserbohrung geschaffen sind und eine Tiefe von 400 bis 600 um aufweisen. Der Oberfl?chendurchmesser betr?gt etwa 40 bis 70 um.
Die auf die Walzenoberfl?che aufgebrachte Kunststoffschmelze wird mit Hilfe einer Andruckwalze 6 unter hohem Anpressdruck auf die Oberfl?che der Matrixwalze aufgedrückt. Dabei dringt die Schmelze in die vorhandenen Kavit?ten ein, wobei das in den Kavit?ten vorhandene Luft-Restvolumen komprimiert wird und sich die Kavit?ten teilweise mit thermoplastischem Kunst-stoffmaterial unter relativ hohem Druck ausfüllen. Der ange-wandte Druck liegt etwa zwischen 3 bis 10 bar.
Bei der hier vorgeschlagenen Mehrschichtextrusionsanlage wird für das Material, das unmittelbar mit der Matrixwalze in Kontakt tritt und in die Kavit?ten eindringt, ein relativ leicht fliessendes Polyethylen verwendet, w?hrend die obere Schicht durch ein die Festigkeit ausbildendes, weniger gut fliessendes Polyethylen verwendet wird. Die aus dem Walzenspalt austretende Folie hat eine Gesamtst?rke von etwa 60 bis 80 um. Dabei sollte die sich ausbildende Florschicht mindestens 40 um stark sein. Für letztere ein LLDP-Polymer mit mittlerem Molekülgewicht mit einem Schmelzindex MFI 30, gemessen bei 190°C/2,16 g, 10 Minuten, und einer Dichte von 0,8955 verwendet.
Für die Festigkeitsschicht werden Mischungen aus Polyethylen verwendet, die eine relativ hohe Z?higkeit ergeben. Die Re-zepturen enthalten weiter die üblichen Gleitmittel, Stabili-satoren, Pigmente und dgl. Additive.
Das verformte thermoplastische Kunststoffmaterial wird?
noch auf der Oberfl?che der Matrixwalze liegend ? durch Abkühlung zum Erstarren gebracht. Dies erfolgt beispiels-weise durch ein Wasserbad oder durch Kühlluft. Auf der mit der Matrix 5 in Kontakt gebrachten Seite nimmt demnach das Material die entsprechende Fl?chenstruktur an.
?ber eine Abzugswalze 11 wird das erstarrte Kunststoffmate-rial von der Oberfl?che der Walze 4 abgezogen und als Zwi-schenerzeugnis 10 weiterverarbeitet. Mit der strukturierten Oberfl?che nach aussen wandert das Zwischenerzeugnis gegen eine weitere rotierende Trommel 20, die mit einer Temperatur von etwa 40 bis 80°C beheizt ist. In diesem Zustand hat das Zwischenerzeugnis, das von der Matrixwalze 4 abgezogen wird, zun?chst noch einen auf der Oberfl?che liegenden, wenig aus-gepr?gten Flor 12, der von zahlreichen Noppen und Vorsprün-gen gebildet ist. Die H?he des Flors, gemessen von der Ober-fl?che aus, betr?gt etwa 100 bis 120 um, wenn eine Kavit?ten-tiefe von 400 um zugrunde gelegt wird. Für bestimmte Zwecke kann das Zwischenerzeugnis 10 bereits als Endprodukt verwendet werden.
Soll jedoch eine Nachbehandlung dahingehend erfolgen, dass eine mit langen Fasern ausgebildete Faserstruktur erzeugt wird, so wird auf der rotierenden Trommel 20 eine Nachbe-handlung zur Erzeugung eines Velourcharakters auf der Ober-fl?che der Folie vorgenommen.
?ber eine Anpresswalze 21 wird das Zwischenerzeugnis 10 gegen die Mantelfl?che der rotierenden Trommel 20 geführt und dort mittels Vakuum fixiert. Im Verlauf der sukzessiv durchlaufe-nen Arbeitsstationen wird zun?chst das Zwischenerzeugnis von einer ersten Rauhwalze 22 bearbeitet, die Rauhwalze 22 ist mit Metallkratzern 23 besetzt, die durch Ergreifen und ent-sprechendes L?ngen der Noppen und Vorsprünge eine Er-streckung derselben um das Zwei- bis Zwanzigfache ergeben. Aus den relativ "pummeligen" Noppenvorsprüngen werden dann faserartige, gestreckte Gebilde mit einer Faserl?nge von 250 bis 400 um.
Die weitere Bearbeitung des Zwischenerzeugnisses erfolgt in mehreren Stufen. An die Rauhwalze 22 schliesst sich eine K?mmwalze 24 an, mit der das hochgerissene und zu l?ngeren Haarfasern gel?ngte Material gek?mmt und in eine bestimmte Richtung gelegt werden. An diesen erfolgt durch eine zweite Rauhwalze, die ?hnlich aufgebaut ist wie die Rauhwalze 22, ein weiteres L?ngen und Strecken der Vorsprünge, Noppen und Haarfasern. Daran schliesst sich wiederum eine K?mmwalze 26 an. Auf diese folgt eine weitere Rauhwalze 27. Am Schluss ergibt sich ein sehr faseriges, fast vliesartiges Gebilde, bei dem jedoch nur die Oberfl?che entsprechend behaart ist, ohne dass, wie beim Rauhen von Textilien, das Grundgewebe angegriffen ist. ?ber eine weitere Umlenkwalze 28 wird nun das fertige Halbzeug abgezogen und einem Vorratsbeh?lter oder einer Schneidstation zugeführt.
Anstelle der Rauhbürsten 22 k?nnen auch andere Bürsten oder Kratzen verwendet werden, mit denen die Vorsprünge gel?ngt oder gestreckt werden k?nnen. Wesentlich ist, dass die an-f?nglich vorhandene relativ flache Struktur durch das Bür-sten oder durch ein Scherquetschen geregelt wird, wobei im Mittel die L?nge der Vorsprünge des Flors um mindestens das Zweifache der Ursprungsl?nge vergr?ssert wird. Im allgemeinen werden wesentlich h?here Werte erreicht. Die Vorsprünge wer-den um mehr als das Zehnfache gestreckt.
Ist eine Nachbehandlung nicht erwünscht, so k?nnen auch sehr dünne, elastische Folien von 40 bis 80 um als Erzeugnis di-rekt von der Walze 4 abgezogen werden. Im Prinzip k?nnen alle Kunststoffe, die eine Folie mit thermoplastischer um-formbarer Oberfl?che ergeben, nach dem genannten Verfahren in Velourfolien umgewandelt werden, d. h. einschichtige und mehrschichtige Extrusionsfolien, geblasene, gegossene Folien, sowie Kombinationsfolien auf Basis der verschieden-sten Polymerklassen. Vorzugsweise wird in diesen F?llen eine bereits fertig geblasene oder extrudierte Folie von einem Vorrat auf die Walze aufgebracht, wobei anstelle der beiden Extruderk?pfe eine (nicht dargestellte) erste Umlenk- und Andrückwalze tritt.
Auf dem Walzenmantel liegend lassen sich dann die Folien mit dem Spalt zwischen den beiden Walzen 4 und 6 zuführen und dort in die Sackl?cher-Kavit?ten eindrücken.
Als Materialien haben sich Polyolefine, insbesondere Poly-ethylen, Polypropylen, Polybutylen und Polyisopropylen, sowie deren Abmischungen oder Copolymere als günstig er-wiesen. Aber auch Kunststoffe wie Polyester, Polyesterether, Polyamide, Polyurethane, Polyvinylalkohol, Polyvinylchlorid, Polysulfone, ABS, ASA, Polyisopropylen, Polycarbonate sowie deren Mischungen und Copolymerisate lassen sich einsetzen.
Entsprechenden Tabellenwerken oder Versuchsprotokollen sind die empirisch ermittelten Schmelzpunktwerte zu entnehmen.
Dabei muss die Bearbeitungsweise wenigstens im Kontaktbereich mit der Oberfl?che auf Schmelztemperatur gehalten werden. Dies geschieht insbesondere durch Kontaktw?rme, z. B. über zus?tzliche Heizwalzen, oder aber über Strahlungsenergie, Ultraschall oder Mikrowellen.
Vor dem Abzug vom Umformungswerkzeug, hier der Walze 4, wird die Noppenfolie abgekühlt.
Es soll nicht ausgeschlossen werden, dass auch ein diskonti-nuierliches Verfahren angewendet wird, wobei auf einer flach liegenden Fl?che jeweils eine Folie oder ein Kunststoff aus-gebreitet werden, die dann mit Hilfe einer Druckplatte oder Druckwalze in die Kavit?ten eingedrückt werden und jeweils als Fl?chen-Charge abgezogen werden.
Die Matrixwalze 4 besteht z. B. aus einer Stahlwalze, die beheizbar und kühlbar ist und die auf ihrer Oberfl?che eine mehrere Millimeter starke Schicht aus einem sehr hochwerti-gen Fluorkautschuk tr?gt, wie er beispielsweise unter dem Markennamen Viton der Firma Dupont im Handel ist. In diese Fluorkautschukschicht werden mittels Laserbohrungen die ge-wünschten Kavit?tenstrukturen eingebracht. Eine Dichte von 2500 bis 3000 Bohrungen pro cm2 k?nnen ohne weiteres er-reicht werden.
Die Folie wird durch eine Vorheizwalze auf 140°C gebracht. Durch eine zus?tzliche Strahlbeheizung kann die dem Werkzeug zugekehrte Seite noch aufgeheizt werden auf 145°C. Die Matrixwalze selbst wird auf lediglich 60°C gehalten, durch den Anpressdruck von etwa 10 bar wird die Folie veranlasst, in die Kavit?ten der Werkzeugwalze einzudringen.
Die Noppen haben eine L?nge von zun?chst 120 bis 120 um.
Die nach dem Verfahren gewonnenen Folien k?nnen als textiles Backsheet auf dem Hygienesektor verwendet werden, aber auch als Einsatz für Obermaterialien in der M?belindustrie. Die Folie kann auch weiterbehandelt werden durch Impr?gnieren, Perforieren, Verstricken usw. Auch eine Bedruckung ist m?g-lich. Durch eine entsprechende Narbenstruktur l?sst sich die Haptik und das Aussehen der Folie weiter verbessern.
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