DE3850277T2

DE3850277T2 - Verfahren zum Kristallisieren von thermoplastischem Material.

Info

Publication number: DE3850277T2
Application number: DE3850277T
Authority: DE
Inventors: Ulla Oehlenschlaeger; Jan Rune Pedersen; Erling Soerensen
Original assignee: PLM AB
Current assignee: Rexam AB
Priority date: 1987-03-17
Filing date: 1988-03-14
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2008-03-15
Also published as: CA1324870C; FI98713B; KR890700452A; DE3850277D1; FI885225A0; SE8701088L; SE505485C2; JPH01502733A; US4960556A; ES2054721T3; FI98713C; JP2765713B2; ATE107574T1; EP0282941A2; AU606938B2; AU1498588A; SE8701088D0; FI885225A; IE880774L; CN1019284B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kristallisieren von thermoplastischem Material durch kombinierte Anwendung von Erwärmung und Druck.
Die US-A-4 150 079 offenbart ein Verfahren der Kristallisierung von amorphem, kristallisierbarem, thermoplastischem Material durch Erwärmung des Materials auf eine erhöhte Temperatur, die dessen Glasübergangstemperatur überschreitet, durch Anlagen einer Druckkraft durch Anwendung mechanischer Preßteile an das erwärmte Material während einer bestimmten Zeitdauer, solange es die erhöhte Temperatur hat, und durch Beendigung des Aufbringens der Druckkraft und Abkühlen des Materials, wobei das amorphe Material infolge von Erwärmung und Druck kristallisiert wird.
Was den Stand der Technik betrifft, so sollten außerdem die DE-A-2 856 580, EP-A-0 088 625 und US-A-4 564 495 erwähnt werden, die alle thermoplastisches Material offenbaren, das Druckkräften zu Kristallisationszwecken unterworfen ist.
Bisher ist bekannt gewesen, daß die mechanische Festigkeit von hauptsächlich amorphem Material durch Zunahme der Kristallisation des Materials erhöht werden kann. Eine Zunahme der Kristallisation steht im linearen Verhältnis zur Dichte des Materials. Die Zunahme der erwähnten Kristallisation wird einerseits durch Ausrichtung und andererseits durch Thermokristallisation des Materials erreicht.
Bei der Herstellung von Gegenständen aus Kunststoffmaterial, insbesondere bei der Massenproduktion von Gegenständen ist es notwendig, den Zeitaufwand für die Herstellung jedes einzelnen Gegenstandes soweit wie möglich zu reduzieren. Ein Beispiel solcher Anwendungen ist die Herstellung von Behältern zur Lagerung von Nahrungsmittelprodukten. Es sollte möglich sein, solche Behälter auch in Verbindung mit der Haltbarmachung von Nahrungsmittelprodukten, zur Pasteurisierung von Nahrungsmittelprodukten, die in die Behälter gefüllt sind, oder zum heißen Einfüllen von Nahrungsmittelprodukten bei einer Temperatur um 100ºC, oder darüber, zu verwenden.
Auf dem Gebiet der Technik ist bekannt, daß die notwendige Temperaturstabilität und Fähigkeit, einem erhöhtem Innendruck, zum Beispiel während der Haltbarmachung oder Pasteurisierung, zu widerstehen, durch Orientierung des Materials und einer nachfolgenden Wärmebehandlung erreicht werden kann. Ähnlich ist bekannt, daß durch Thermokristallisation von hauptsächlich amorphem Material, die Eigenschaften des Materials verbessert werden können, so daß das thermokristallisierte Material die Anforderungen erfüllt, die aus der früher erwähnten Anwendung hervorgehen. Die Wärmestabilisierung von ausgerichtetem Material kann verhältnismäßig schnell durchgeführt werden, da das Material in der Regel relativ dünn ist und deshalb über seinen gesamten Querschnitt eine erhöhte Temperatur erreicht, wenn es während verhältnismäßig kurzer Zeit erwärmt wird.
Die Thermokristallisation des hauptsächlich amorphen Materials ist andererseits infolge der Dicke des Materials, die mit niedriger Wärmeleitfähigkeit des Materials verbunden ist, zeitaufwendig. Das führt seinerseits zu unerwünscht langen Verweilzeiten in der Produktionsausrüstung.
Die vorliegende Erfindung richtet sich auf die Vermeidung der vorstehend genannten Nachteile. Das wird mit Hilfe eines Verfahrens in Übereinstimmung mit dem beigefügten Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Als ein Ergebnis der vorliegenden Erfindung wird der Zeitaufwand für die notwendige Zunahme der Kristallisation des hauptsächlich amorphen Materials merklich reduziert. Das wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß das Material in Verbindung mit der vorstehend erwähnten Erwärmung auf eine Temperatur, die die Glasübergangstemperatur (TG) überschreitet, die oft als diejenige Temperatur definiert ist, bei der das Material zu erweichen beginnt, außerdem Druckkräften ausgesetzt ist. Diese sind in der Regel rechtwinklig zu den Begrenzungsflächen des Materials gerichtet.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Material während des Pressens zwischen mechanischen Elementen eingeschlossen, die Druckkräfte auf das Material ausüben. Bei bestimmten Anwendungen sind die mechanischen Elemente vorgesehen, um nur die angegebenen Druckkräfte zu erzeugen, während sie in anderen Anwendungen vorgesehen sind, um außerdem Formgebungsteile zu bilden, die zum Beispiel in Verbindung mit der Herstellung eines Behälters das Bodenteil eines Vorformlings in eine Zwischenform oder Endform umformen, und wobei die Elemente die Druckkräfte, die nach der Erfindung erforderlich sind, während des Formvorgangs und/oder nachfolgend ausüben.
Die Erfindung ist besonders geeignet, um zur Kristallisation des Materials im Bodenteil von Behältern mit einer großen Öffnung oder von Wannen angewendet zu werden.
Bei bestimmten Anwendungen wird das Material vor dem Pressen auf eine Temperatur vorgewärmt, bei der das Pressen stattfinden soll. Bei solchen Anwendungen ist das mechanische Element oder Elemente mit einem Isoliermaterial beschichtet, z. B. Teflon, um im Verlauf des Pressens eine Temperaturänderung des Materials infolge des Wärmeaustausches mit dem mechanischen Element oder Elementen zu verhindern. Bei anderen Anwendungen sind die mechanischen Elemente auf eine Temperatur eingestellt, die derjenigen entspricht, die das Material beim Pressen haben sollte. Teile der mechanischen Elemente, die an das Kunststoffmaterial angrenzen, haben dann in der Regel eine gute Wärmeleitfähigkeit, um durch Wärmeaustausch mit dem thermoplastischen Material die Preßtemperatur des im voraus genau angegebenen Materials einzustellen und/oder aufrechtzuerhalten.
Bei Anwendungen, bei denen die mechanischen Formgebungselemente eine erhöhte Temperatur haben, ist letztere auf einen Wert eingestellt, der über der Glasübergangstemperatur (TG) des Kunststoffmaterials liegt. Die Temperatur von diesem wird als ein Wert in dem Temperaturbereich oder darüber hinaus gewählt, bei dem die Thermokristallisation des Materials beginnt. In der Regel hat jedes Material einen Temperaturbereich, innerhalb dessen die Thermokristallisation am schnellsten stattfindet. Bei Anwendungen, in denen ein solches Material kristallisiert wird, wird die Materialtemperatur in der Regel als ein Wert gewählt, der diesem Bereich entspricht. Dies trifft auch auf die angrenzenden Flächen der mechanischen Elemente entsprechend zu, denen jedoch bei bestimmten Einsätzen eine höhere Temperatur als diejenige der höchsten Kristallisation des Materials gegeben wird. Als Ergebnis kann die mangelnde thermische Leitfähigkeit in den Kontaktflächen und die Wirkung des Wärmegradienten, die im Material während seiner Erwärmung auftritt, in einem bestimmten Umfang beseitigt werden.
Es ist wünschenswert, daß das Material bei bestimmten Anwendungen nur in begrenzten Bereichen eine gesteigerte Kristallisation erlangt, die bei bestimmten Anwendungen miteinander verbunden sind, wogegen sie bei anderen Anwendungen voneinander getrennt sind.
Die Bedeutung der Preßkräfte ist in einer Anzahl vergleichender Experimente untersucht worden, über deren Ergebnisse nachstehend unter den Überschriften "Experiment 1 bis 4" berichtet wird.

EXPERIMENT 1

Im Experiment 1 (siehe Tabelle 1 unten) wurden Aluminiumplatten so bewegt, um sie an eine Scheibe aus Polyäthylenterephtalat mit einer Dicke von 1,8 mm anzulegen. Die Aluminiumplatten ruhten mit leichtem Druck gegen das Kunststoffmaterial, ohne dasselbe irgendwelchen bedeutenden Druckkräften auszusetzen, um einen guten Kontakt zwischen den Aluminiumplatten und dem Kunststoffmaterial sicherzustellen. Die Temperatur der Aluminiumplatten wurde bei 140ºC gehalten, was der Temperatur der höchsten Kristallisationsgeschwindigkeit von PET (Polyäthylenterephtalat) entspricht. Bei der ersten Scheibe wurde das Anlegen an das thermoplastische Material für 10 Sekunden aufrechterhalten und danach für jede folgende Scheibe um 20 Sekunden bis auf eine maximale Behandlungszeit von 110 Sekunden erhöht. Dann wurden die Dichten der entsprechenden Scheiben gemessen. Aus den Ergebnissen wird deutlich, daß eine bedeutende Zunahme der Dichte nur nach ungefähr 70 Sekunden Erwärmungszeit erreicht wurde. Erst nach einer Erwärmungszeit von 110 Sekunden begann das Material undurchsichtig zu werden, wobei eine Dichte von 1,360 gemessen wurde. TABELLE 1 Temperatur der Aluminiumplatten Kontaktzeit Dichte

EXPERIMENT 2

Dann wurden entsprechende Experimente (siehe Tabelle 2) mit Aluminiumplatten bei einer Temperatur von 150ºC durchgeführt. Hier begann das Material schon nach ungefähr 70 bis 90 Sekunden undurchsichtig zu werden, was auch aus der Tabelle ersichtlich ist. Das zeigt, daß die Dichten hier bei jeweils 1,354 und 1,363 lagen. TABELLE 2 Temperatur der Aluminiumplatten Kontaktzeit Dichte

EXPERIMENT 3

Im Experiment 3 (siehe Tabelle 3) wurde das thermoplastische Material in einem Bad 10 Sekunden lang vorgewärmt. In den ersten Versuchsreihen lag die Badtemperatur bei 130ºC und in der zweiten bei 150ºC. Es wurde herausgefunden, daß das Material dadurch praktisch eine Temperatur annimmt, die der Badtemperatur entspricht. Später wurden die Scheiben aus thermoplastischem Material an die Aluminiumplatten jeweils 10, 30, 50 70, 90 und 110 Sekunden lang angelegt. Die Aluminiumplatten hatten in den beiden Versuchsreihen jeweils die Temperaturen von 130ºC und 150ºC, das heißt, dieselben Temperaturen wie diejenigen, auf die die Scheiben erwärmt wurden, als sie in das Bad eingetaucht wurden. Das Anlegen fand einerseits ohne irgendein Pressen des Materials statt, was dem in Verbindung mit den vorstehenden Experimenten 1 und 2 beschriebenen entspricht, und andererseits mit dem Einsatz von Druckkräften, die so gewählt wurden, daß die Materialdicke bei den tatsächlichen Temperaturen von ungefähr 1,8 mm auf etwa 0,6 mm reduziert wurde.
Aus den Versuchsergebnissen wird deutlich, daß das behandelte Material eine Dichte erlangte, die im wesentlichen derjenigen aller Scheiben mit einer Behandlungszeit von bis zu 90 und einschließlich 90 Sekunden entsprach, wenn das Bad und die Aluminiumplatten eine Temperatur von 130ºC hatten und keine Druckkräfte aufgebracht wurden. Ein geringe Zunahme der Dichte wurde nachgewiesen, wenn die Behandlungszeit 110 Sekunden betrug. Wenn die Temperatur des Bades und der Aluminiumplatten 150ºC betrug, vollzog sich die Kristallisation schneller und das Material begann schon nach ungefähr 70 Sekunden undurchsichtig zu werden. Dies wird auch aus dem in der Tabelle angegebenen Wert der Dichte von 1,367 für die Zeit von 70 Sekunden deutlich.
Wenn das Material außer der Wärmebehandlung auch Druckkräften unterworfen wurde, stellten wir bei einer Temperatur des Bades und der Aluminiumplatten von 130ºC eine geringe Zunahme der Dichte des Materials in den Scheiben für die beiden längsten Kontaktzeiten (90 und 110 Sekunden) fest. Die Zunahme der Dichten ist bedeutungslos, soweit mechanische Eigenschaften und Wärmebeständigkeit betroffen sind. Der Unterschied zwischen den Ergebnissen von Versuchen, in denen Druckkräfte fehlen und denjenigen, in denen sie angewendet wurden, kann nicht als irgendwie bedeutend für diese Temperatur angesehen werden.
Bei 150ºC weichen die Ergebnisse jedoch stark voneinander ab. Bereits bei einer Kontaktzeit von 10 Sekunden wird eine Zunahme der Dichte erreicht, die undurchsichtigem Material entspricht. Deshalb bedeutet das, daß der Zeitaufwand für die Kristallisation des Materials von 70 auf 10 Sekunden, das heißt, sozusagen auf 1/7 reduziert ist. TABELLE 3 Temperatur ºC Bad Al-Platten Zeit in Sekunden im Bad gegen Al-Platten Dichte gemessen ohne mit Pressen

EXPERIMENT 4

Später wurden die Experimente in zwei weiteren Serien, einer mit "Serie 4a" und einer mit "Serie 4b" bezeichneten wiederholt, wobei die Aluminiumplatten auf einer Temperatur von jeweils 140ºC bzw. 150ºC gehalten wurden (siehe Tabelle 4). Darüberhinaus wurde die maximale Erwärmungsdauer auf 130 Sekunden ausgedehnt. Sonst waren die Versuchsbedingungen unverändert. In den Serien 4a und 4b ging das Kunststoffmaterial aus derselben Herstellungscharge hervor.
Aus der Tabelle 4 wird deutlich, daß feststellbare Änderungen der Dichte bei einer Temperatur der Aluminiumplatten von 140ºC und ohne eine Anwendung von Druckkräften nach einer Erwärmungsdauer von 70 bis 90 Sekunden und eine undurchsichtigem Material entsprechende Kristallisation nach einer Erwärmungsdauer von 110 bis 130 Sekunden auftreten. Bei einer Temperatur von 150ºC der Aluminiumplatten steigt die Kristallisation, und folglich die Dichte, ein wenig früher an, als bei einer Temperatur von 140ºC. Jedoch setzt die undurchsichtigem Material entsprechende Kristallisation nach ungefähr demselben Zeitraum wie bei einer Temperatur von 140ºC ein, der vom Standpunkt der Produktion eine zu lange Zeit darstellt.
Wurde das Erwärmen mit Druckkräften kombiniert, dann wurde bei einer Temperatur von 140ºC schon nach 50 Sekunden eine beträchtliche Zunahme der Dichte und folglich der Kristallisation erzielt, und bei einer Temperatur der Aluminiumplatten von 150ºC trat schon nach 30 Sekunden eine deutliche Zunahme auf. Die nach 30 Sekunden erreichte Zunahme war hierbei von derselben Größe wie die nach 110 Sekunden ohne Druckkräfte erreichte, was bedeutet, daß die Kristallisationszeit auf ungefähr ein Viertel reduziert wurde. TABELLE 4 Temperatur ºC Bad Al-Platten Zeit in Sekunden im Bad gegen Al-Platten Dichte gemessen ohne Pressen mit Pressen Serie 4a Serie 4b Serie 4a Serie 4b
Aus der vorstehenden Berechnung wird deutlich, daß die Erwärmung des thermoplastischen Materials bei gleichzeitigem Pressen desselben eine Reduzierung der Kristallisationszeit bewirkt. Es wurde herausgefunden, daß die Reduzierung in der einen Versuchsserie ungefähr das Vierfache und in der zweiten Versuchsserie ungefähr das Zehnfache betrug. Da bei der Massenproduktion von Gegenständen Verweilzeiten in der Produktionsausrüstung hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit der Herstellung von großer Bedeutung sind, ist die Reduzierung der angegebenen Kristallisationszeit von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Bei der Anwendung der Erfindung werden die Druckkräfte, wie vorstehend erwähnt, in der Regel auf die Begrenzungsflächen des Materials hin angelegt, da das Material zwischen mechanischen Elementen eingeschlossen ist, die während der Ausübung von Druckkräften an den gegenüberliegenden Seiten des Materials anliegen. Bei gewissen Anwendungen liegt jedoch nur eine der Begrenzungsflächen an einem mechanischen Element an, während Drücke auf die gegenüberliegende Begrenzungsfläche ausgeübt werden, die die gewünschten Druckkräfte z. B. mit Hilfe eines unter sehr hohem Druck stehenden Fluids bewirken. Das letztere Ausführungsbeispiel ist besonders zur Anwendung, z. B. auf die Kristallisation von Material im Unterteil eines Behälters und besonders zur Kristallisation von Material im Übergang zwischen dem Bodenteil und den Seitenwänden eines Behälterkörpers geeignet.
Bei einer bevorzugten Anwendung sind die mechanischen Elemente mit erhöhten Teilen versehen, deren Höhe nach der Materialdicke ausgelegt ist, so daß beim Pressen des Materials dessen Dicke um mindestens ungefähr 20%, vorzugsweise um mindestens ungefähr 40% reduziert ist. Bei bestimmten Anwendungen werden die Druckkräfte nur im Bereich dieser erhöhten Teile angelegt. Diejenigen Bereiche des Kunststoffmaterials, die den Druckkräften in dieser letzteren Anwendung unterworfen sind, sind somit von Material umgeben, auf das die Druckkräfte nicht wirken, und das darum eine im wesentlichen niedrigere Kristallisation aufweist.
Bei Anwendungen, in denen das Material kristallisiert ist, um z. B. die mechanische Festigkeit im angrenzenden Bereich zu erhöhen, werden die Druckkräfte geeigneterweise in einem Bereich angelegt, der bandförmige Materialabschnitte von stufenweise zunehmender Länge bildet, die abgeschlossen und voneinander getrennt sind. Bei bestimmten Anwendungen können diese bandförmigen Materialabschnitte eine oder mehrere Gruppen von im wesentlichen konzentrisch angeordneten, ringförmigen Materialabschnitten bilden.
Das Verfahren der Erfindung wird in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, in denen zeigen:
Fig. 1 den Schnitt einer Preß- und Formvorrichtung in Ausgangsstellung und mit einem unbearbeiteten Rohling, der in die Vorrichtung gelegt ist;
Fig. 2 einen entsprechenden Schnitt mit dem in die Arbeitsstellung bewegten Stempel;
Fig. 3 einen entsprechenden Schnitt, wobei der mittlere Formteil in seine dem Stempel am nächsten liegende Stellung bewegt ist, und
Fig. 4 einen Schnitt entsprechend der Fig. 1 einer Vorrichtung, mit Formgebungsflächen, die mit erhöhten Teilen versehen sind.
In den Fig. 1, 2 und 4 ist ein Rohling 10 mit einem Bodenteil 18, einer Seitenwand 12 und einem Mündungsteil 19 zu sehen, der mit einem Mündungsflansch 11 versehen ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Mündungsflansch von der Mittelachse weg gerichtet. Das Bodenteil besteht aus einem mittleren Bodenabschnitt 13 aus im wesentlichen amorphem Material, einem ganz herum führenden, äußeren Bodenabschnitt 15 aus orientiertem Material und einem Übergang 14 zwischen dem ganz herumführenden und dem mittleren Bodenabschnitt. Der ganz herum führende, äußere Bodenabschnitt 15 verbindet den mittleren Bodenabschnitt 13 mit der Seitenwand 12. In den Figuren ist außerdem die innere Begrenzungsfläche 16 und die äußere Begrenzungsfläche 17 des Bodenteils angezeigt.
Die Fig. 3 zeigt ,ein becherähnliches Produkt 60, das durch Formgebung des Bodenteils des Rohlings 10 erzielt worden ist. Das Produkt hat ein Bodenteil 63, ein Mündungsteil 19 und eine Seitenwand 12. Das Mündungsteil und die Seitenwand haben eine Form, die mit entsprechenden Teilen des Rohlings 10 im wesentlichen übereinstimmt. Das Bodenteil weist einen mittleren Bodenabschnitt 63 auf, der über einen ganz herum führenden Abschnitt 65 aus orientiertem Material in die Seitenwand 12 übergeht. Der ganz herum führende Abschnitt 65 hat einen dem mittleren Bodenabschnitt 63 am nächsten liegenden, abwärts und nach außen gerichteten Abschnitt 66 und schließt an die Seitenwand 12 und den aufwärts und nach außen gerichteten Abschnitt 67 an. Ein ganz herum führender Abschnitt 65 bildet zwischen den gerade erwähnten abwärts und aufwärts gerichteten Abschnitten 66, 67 einen Übergangsabschnitt 62, der auf der Unterlage anliegen soll, auf die das Produkt bei Gebrauch gestellt wird. Somit ist der mittlere Bodenabschnitt 63 näher am Öffnungsteil des becherähnlichen Produkts angeordnet als der gerade erwähnte Übergangsabschnitt.
Die Fig. 3 veranschaulicht darüberhinaus ein becherähnliches Produkt, bei dem das Material im mittleren Bodenabschnitt 63 im wesentlichen dem Material im mittleren Bodenabschnitt 13 des Rohlings entspricht. Bei der Formgebung des Bodenteils 63 des becherähnlichen Produkts ist das Materialvolumen des mittleren Bodenabschnitts 13 im wesentlichen erhalten geblieben. Jedoch ist die Dicke des mittleren Bodenabschnitts 13 reduziert und sein Umfang vergrößert worden. Bei der Formgebung des Bodenabschnitts ist das Material im mittleren Bodenteil bei erhöhter Temperatur gehalten und Druckkräften unterworfen worden, als deren Ergebnis das Material eine Thermokristallisation nach dem in der Einführung der Beschreibung angezeigten Verfahren erfahren hat. Die angewendete Technik wird im folgenden ausführlicher beschrieben.
In den Fig. 1 bis 4 ist außerdem ein Stempel 20 zu sehen, der durch eine Kolbenstange 21 mit einem Antriebselement (in den Figuren nicht gezeigt) zur hin- und hergehenden Bewegung zwischen der in der Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung und der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Arbeitsstellung verbunden ist. Durch Anschlagelemente, die in den Figuren nicht gezeigt sind, wird der Stempel auf die genaue Position bezüglich einer äußeren Aufnahmebuchse 50 eingestellt, wenn er in die Arbeitsstellung bewegt wird. Der Stempel hat ein Unterteil 28 und ein Oberteil 27, die durch eine äußere Seitenfläche 22 begrenzt sind, deren Form in hohem Maße der Form der Innenfläche der Wand 12 des Rohlings und des becherähnlichen Produkts entspricht. In seinem Unterteil hat der Stempel eine mittig angeordnete Bodenfläche 23, die durch eine in Umfangsrichtung angeordnete Übergangsfläche 25 an die äußere Seitenfläche 22 des Stempels anschließt. Der Bodenfläche 23 am nächsten liegend weist die Übergangsfläche 25 einen von der mittleren Bodenfläche abwärts und nach außen gerichteten Abschnitt 25a auf, und der äußeren Seitenfläche 22 des Stempels am nächsten liegend einen bezüglich der mittleren Bodenfläche aufwärts und nach außen gerichteten Abschnitt 25b. Zwischen diesen jeweils abwärts und aufwärts gerichteten Abschnitten weist die Übergangsfläche einen Verbindungsabschnitt 24 auf, der in Umfangsrichtung angeordnet ist. Die abwärts und aufwärts gerichteten Abschnitte der Übergangsfläche 25 begrenzen somit zusammen mit ihren Verbindungsabschnitten 24 einen ganz herum führenden erhöhten Teil 70, der die mittlere Bodenfläche 23 umgibt.
In dem Stempel sind in Verbindung mit seiner Bodenfläche ein oder mehrere für den Transport eines wärmeübertragenden Mediums gedachte Kanäle 29 vorgesehen. Ein Lüftungskanal 26 mündet in die Bodenfläche 23 des Stempels. Bei bestimmten Anwendungen ist die Bodenfläche mit einer Anzahl von Öffnungen versehen, an die der Lüftungskanal angeschlossen ist.
Ein mittleres Formgebungsteil 30 ist durch eine mittlere Stange 31 mit Antriebselementen (in den Figuren nicht gezeigt) zur hin-und hergehenden Bewegung zwischen der in der Fig. 1 gezeigten Ausgangsstellung und der in der Fig. 3 gezeigten, dem Stempel am nächsten liegenden Stellung verbunden. Eine Anschlagnase 32 ist am mittleren Formgebungsteil vorgesehen. Letzteres hat darüberhinaus einen oder mehrere Kanäle 39 für das wärmeübertragende Medium. Das Bezugszeichen 37 bezieht sich auf eine Begrenzungs/Formungsfläche des mittleren Formgebungsteils. Ein Lüftungskanal 36 mündet durch eine oder mehrere Öffnungen in die gerade erwähnte Fläche.
Die Begrenzungs-/Formgebungsfläche 37 hat einen mittleren Abschnitt 33, dessen Form derjenigen der mittleren Bodenfläche 23 des Stempels angepaßt ist. In den Figuren haben der mittlere Abschnitt 33 des mittleren Formgebungsteils 30 und die mittlere Bodenfläche 23 des jeweils gezeigten Stempels eine ebene Form, bei anderen Anwendungen ist die Form aber mindestens teilweise gekrümmt. Ein ganz herum führender Abschnitt 35 der von dem mittleren Abschnitt 33 abwärts und nach außen gerichteten Begrenzungs-/ Formgebungsfläche 37 hat eine Form, die dem entsprechenden Abschnitt 25a des Stempels angepaßt ist, um einen ganz herum führenden Spalt mit dem entsprechenden Abschnitt 25a des Stempels zu bilden, wenn sich das mittlere Formgebungsteil in seiner dem Stempel 20 am nächsten liegenden Stellung befindet (Fig. 3).
Das mittlere Formgebungsteil 30 wird in einer inneren Aufnahmebuchse 40 verschoben, die ihrerseits in der äußeren Aufnahmebuchse 50 beweglich gelagert ist. Die innere Aufnahmebuchse weist in ihrem oberen Teil eine ganz herum führende Fläche 45 auf, die von ihrer Mittelachse aufwärts und nach außen gerichtet ist, deren Form derjenigen der Fläche 25b des Stempels entspricht. Mit dem inneren Formgebungsteil 30 in seiner dem Stempel 20 am nächsten liegenden Stellung (Fig. 3) bilden die abwärts und nach außen gerichtete Fläche 35 des inneren Formgebungsteils und die aufwärts und nach außen gerichtete Fläche 45 der Innenbuchse folglich gemeinsam eine Formgebungs- und Begrenzungsfläche, die einen Verbindungsabschnitt 34 aufweist, der dem Verbindungsabschnitt 24 des Stempels entspricht. In dem Spalt zwischen diesen beiden Verbindungsabschnitten wird ein Übergangsabschnitt 62 des becherähnlichen Produkts gebildet, wenn letzteres geformt wird.
Die innere Aufnahmebuchse hat eine Anschlagfläche 42, an der die Anschlagnase 32 anliegt, wenn das mittlere Formgebungsteil sich in der dem Stempel am nächsten liegenden Position befindet. Die Position der inneren Aufnahmebuchse ist durch ein Abstandsrohr 41 bestimmt, das seinerseits mit einem inneren Positionierelement 52 zur Einstellung der Position der inneren Aufnahmebuchse bezüglich der äußeren Aufnahmebuchse 50 zusammenwirkt. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die innere Aufnahmebuchse am Abstandsrohr 41 lösbar befestigt. Das innere Positionierelement ist in den Figuren als ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem es bezüglich der äußeren Aufnahmebuchse durch das Zusammenwirken mit einem äußeren Positionierelement 51 axial verschoben wird, das seinerseits eine feststehende Position bezüglich der äußeren Aufnahmebuchse 50 einnimmt. In dem in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese Wirkung durch das äußere Positionierelement erzielt, das mit einem Innengewinde 53 versehen ist, welches mit einem Außengewinde 54 am inneren Positionierelement zusammenwirkt.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem die Formgebungsfläche des Stempels, d. h. seine mittlere Bodenfläche 23, mit erhöhten Teilen 71 versehen ist und bei dem die mittlere Formgebungsfläche 33 des mittleren Formgebungsteils 30 ebenso mit erhöhten Teilen 72 versehen ist. Obwohl der Stempel wie auch das mittlere Formgebungsteil mit erhöhten Teilen gezeigt sind, sind sie in bestimmten Ausführungsbeispielen nur auf dem Stempel oder auf dem mittleren Formgebungsteil vorgesehen.
Die jeweils vorstehend verwendeten Bezeichnungen oben, unten, aufwärts und abwärts beziehen sich nur auf die Ausrichtung der Vorrichtung in den Zeichnungen und sind verwendet worden, um die Beschreibung leichter verstehen zu können. Dem Fachmann wird klar, daß bei Anwendung der Erfindung die Vorrichtung eine willkürliche Ausrichtung haben kann.
Wenn von den Ausführungsbeispielen der in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Vorrichtung Gebrauch gemacht wird, wird der Rohling 10 in der Lage untergebracht, wie es in der Fig. 1 gezeigt ist. Anschließend wird der Stempel 20 in die Position bewegt, die in der Fig. 2 gezeigt ist, worauf das mittlere Formgebungsteil 30 in die Position bewegt wird, die in der Fig. 3 gezeigt ist. Der Abstand zwischen der mittleren Bodenfläche 23 des Stempels und der mittleren Begrenzungs-/Formungsfläche 33 des mittleren Formgebungsteils ist so gewählt, daß das Material im mittleren Bodenteil 13 beim Pressen eine Dickenreduzierung erfährt. In der Regel ist die Dicke um mindestens ungefähr 20% und bei einigen Anwendungen um mindestens ungefähr 40% reduziert. Die mittlere Bodenfläche 23 des Stempels ist bezüglich des Verbindungsabschnitts 24 des Stempels in Richtung zum Inneren des Rohlings um eine Entfernung verschoben, die der Breite (der Länge in radialer Richtung des Bodenteils) des ganz herum führenden Bodenabschnitts 15 angepaßt ist, so daß dem Material im gerade erwähnten Abschnitt im großen und ganzen seine neue Form gegeben wird, ohne daß das Material irgendeine Streckung erfährt. Bei der Bewegung in Richtung der Endlage findet somit im wesentlichen nur ein Pressen und eine Neuverteilung des Materials im mittleren Bodenteil 13 des Rohlings (möglicherweise mit einer Änderung der Gestalt verbunden) statt, wodurch das mittlere Bodenteil 63 des becherähnlichen Produkts durch das geformte Material ausgebildet wird. Der Bodenabschnitt besteht somit im wesentlichen aus demselben Material, das in dem mittleren Bodenabschnitt 13 des Rohlings erhalten war.
In der Regel ist der Rohling 10 auf eine erhöhte Temperatur erwärmt worden, bevor er in die Vorrichtung eingesetzt wird, und zudem im allgemeinen auf eine Temperatur der Größenordnung von mindestens 110ºC. Ein wärmeübertragendes Medium zirkuliert durch die Kanäle 29 beziehungsweise 39 und hält die Kontaktfläche 23 des Stempels beziehungsweise die Begrenzungs-/Formungsfläche 33 des mittleren Formgebungsteils auf erhöhter Temperatur, die dem im Rohling verwendeten Material angepaßt ist, um die gewünschte Zunahme der thermischen Kristallisation des Materials zu erreichen. Bei Anwendungen, in denen das Material aus Polyäthylenterephtalat besteht, werden die beiden Flächen 23 und 33 auf einer Temperatur von mindestens ungefähr 140ºC und in der Regel auf einer Temperatur von mindestens ungefähr 150ºC gehalten. Die Verweilzeiten werden entsprechend dem zu erreichenden Kristallisierungsausmaß gewählt. Die vorstehenden Tabellen 3 und 4 zeigen die erforderlichen Behandlungszeiten an, um die gewünschte thermische Kristallisation zu erreichen. In der Regel beträgt die Behandlungszeit mindestens 10 Sekunden.
Die Form der Kontaktflächen 23 und 33 des Stempels und das jeweils in den Figuren gezeigte mittlere Formgebungsteil ist der gewünschten Form des herzustellenden Produkts und der Materialmenge im mittleren Bodenabschnitt 13 des Rohlings 10 angepaßt. Die Länge in radialer Richtung (Breite) des ganz herum führenden Abschnitts 35 des von der mittleren Formungsfläche 33 abwärts und nach außen gerichteten mittleren Formgebungsteils ist in jedem Fall der entsprechenden radialen Länge (Breite) des entsprechenden Abschnitts der ganz herumführenden, äußeren Bodenteile 15 des ausgerichteten Materials der Rohlinge angepaßt, wogegen der Raum zwischen der mittleren Bodenfläche 23 des Stempels 20 und der mittleren Formungsfläche 33 des mittleren Formgebungsteils 30 dem Volumen des mittleren Bodenteils 13 des Rohlings aus dickerem und im wesentlichen nicht orientiertem Material entspricht, wenn diese beiden Elemente in der Position sind, in der sie sich am nächsten stehen.
Bei bestimmten Anwendungen, wie früher erwähnt, ist die mittlere Bodenfläche 23 des Stempels und/oder die mittlere Formungsfläche 33 des mittleren Formgebungsteils jeweils mit erhöhten Teilen 71 und 72 ausgelegt, mit deren Hilfe die Dicke des Bereiches im mittleren Bodenabschnitt 13 des Rohlings während des Pressens dementsprechend stärker reduziert wird als die Dicke des Materials, das dem mittleren Bodenabschnitt benachbart angeordnet ist. Bei bestimmten Anwendungen ist die Materialdicke immerhin nur in den Bereichen reduziert, in denen auf das Material durch die erhöhten Teile eingewirkt wird, wogegen in anderen Anwendungen eine Reduzierung der Materialdicke im Bereich der erhöhten Teile ebenso stattfindet wie in Bereichen an der Seite um diese herum. Bei dem hergestellten Produkt hat somit das Wandmaterial abwechselnd dünnere und dickere Abschnitte mit einer Anordnung, die der Anordnung der erhöhten Teile auf den Formungsflächen 23 und 33 des Stempels beziehungsweise dem mittleren Formgebungsteil 30 entspricht.
Bei bestimmten Anwendungen bilden die erhöhten Teile bandähnliche Materialabschnitte mit stufenweise zunehmender Länge, die abgeschlossen und voneinander getrennt sind. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die erhöhten Teile eine oder mehrere Gruppen von im wesentlichen konzentrisch angeordneten ringförmigen Materialabschnitten.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel bilden die erhöhten Teile eine oder mehrere Gruppen ringförmiger Materialabschnitte, die im wesentlichen konzentrisch zur Mitte des Bodens eines Behälters angeordnet sind.
Bei noch einem weiteren Ausführungsbeispiel befinden sich die erhöhten Teile in einer Anordnung, die bewirkt, daß die Druckkräfte in einem Bereich angelegt werden, der den mittleren Materialabschnitt des Bodenteils eines Behälters bildet.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel befinden sich die erhöhten Teile in einer Anordnung, die bewirkt, daß die Druckkräfte außerdem in Bereichen aufgebracht werden, die mittlere Materialabschnitte für jede Gruppe von abgeschlossenen bandähnlichen Materialabschnitten bilden.

Claims

1. Verfahren zum Kristallisieren und Formen des Bodens (63) eines Bechers oder becherähnlichen Gegenstandes (60), der aus amorphem, kristallisierbarem, thermoplastischem Material hergestellt ist, welches Verfahren einschließt:

einen Becher (10) aus thermoplastischem Material in einer Form derart zu halten, daß sich ein amorpher Boden (13) des Bechers über den Boden einer Öffnung in der Form erstreckt,

das Material des Becherbodens (13) auf eine erhöhte Temperatur zu erwärmen, die dessen Glasübergangstemperatur (TG) überschreitet,

eine Druckkraft auf das erwärmte Material während einer bestimmten Zeitdauer auf den Becherboden (13), während das Material auf der erhöhten Temperatur ist, durch Anlegen mechanischer Preßelemente (20,30) gegen den Becherboden auf gegenüberliegende Flächen (16,17) desselben am Boden der Öffnung in der Form auszuüben, wobei die mechanischen Preßelemente (20,30) die Dicke des Materials reduzieren, und

das Ausüben der Druckkraft zu beenden und das Material abzukühlen, wobei das amorphe Material infolge von Erwärmung und Druck kristallisiert wird, während der Becherboden (13) durch die mechanischen Preßelemente (20,30) gepreßt und in der Dicke reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Becherboden durch eine erhöhte Temperatur von mindestens 140ºC erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem Druckkraft auf das erwärmte Material für eine Zeitdauer von mindestens 10 Sekunden ausgeübt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Material während des Pressens zwischen den mechanischen Preßelementen (20,30) eingeschlossen ist, die an den gegenüberliegenden Seiten (16,17) des Materials anliegen.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die mechanischen Preßelemente (20,30) die Materialdicke in einem oder in mehreren Bereichen des Materials reduzieren, während sie an dem Material (13) anliegen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Materialdicke des Materials (13) während des Pressens um mindestens 20%, vorzugsweise um mindestens 40% reduziert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem die Druckkräfte in Bereichen ausgeübt werden, die mindestens teilweise von Material umgeben sind, auf welches keine Druckkräfte wirken oder bei dem bei Anlegen der Druckkräfte die Materialdicke in begrenzten Bereichen mehr reduziert wird, als in Bereichen, die die begrenzten Bereiche umgeben.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem Druckkräfte in Bereichen angelegt werden, die bandähnliche Materialabschnitte von stufenweise zunehmender Länge, abgeschlossen und voneinander getrennt, bilden.