DE10105896A1

DE10105896A1 - Düse, insbesondere zur Extrusion von keramischen Grünfolien

Info

Publication number: DE10105896A1
Application number: DE10105896A
Authority: DE
Inventors: Martin Pyczak; Bettina Schmidt; Jochen Gaenzle; Ulrich Eisele; Martin Schubert
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-02-09
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2002-08-22
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: AT413509B; US7108817B2; US20040026817A1; JP4280498B2; GB2375990A; DE10105896B4; ATA90082001A; WO2002064339A1; JP2004517764A; GB0219727D0; GB2375990B

Abstract

Es wird eine Düse zur Herstellung von Flachprofilen, insbesondere eine Breitschlitzdüse zur Extrusion keramischer Grünfolien, vorgeschlagen, die einen schlitzförmigen Düsenauslauf (20) aufweist, der in einer Austrittsöffnung (13) mündet. Dabei verengt sich die Höhe des schlitzförmigen Düsenauslaufes (20), beginnend in einer unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) bis hin zu der Austrittsöffnung (13). Bevorzugt ist der Düsenauslauf (20) von einer ersten Lippe (11) und einer dieser gegenüber angeordneten zweiten Lippe (11') gebildet, die außerhalb der unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) zumindest bereichsweise einen konstanten ersten Abstand (h¶1¶) und an der Austrittsöffnung (13) einen zweiten, gegenüber dem ersten Abstand (h¶1¶) kleineren Abstand (h¶2¶) aufweisen, wobei sich der erste Abstand (h¶1¶) der Lippen (11, 11') in dem Bereich der unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) linear auf den zweiten Abstand (h¶2¶) verengt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Düse zur Herstellung von Flach profilen, insbesondere eine Breitschlitzdüse zur Extrusion von keramischen Grünfolien, nach der Gattung des Hauptan spruches.

Stand der Technik

Zur Extrusion von beispielsweise polymergebundenen kerami schen Flachprofilen, d. h. Folien bzw. Grünfolien, wird übli cherweise eine Extrusionsanlage mit einer Breitschlitzdüse eingesetzt, die eine aus der Kunststofftechnik bekannte Dü senbauart aufweist. Solche Düsen bestehen, wie in Fig. 1 dargestellt, aus einem Zulauf, einem Verteilerkanal mit ei nem Drosselfeld und einem Düsenauslauf bzw. einem Mundstück mit einer variablen Spalthöhe, d. h. einer sogenannten "Flex lip", mit der die Dicke der extrudierten Flachprofile ein stellbar ist.

Die Extrusion von insbesondere keramischen Profilen unter scheidet sich jedoch in zwei Punkten grundlegend von der Kunststoffextrusion. Zum Einen ist die Viskosität bzw. im Fall strukturviskoser Stoffe, bei denen die Viskosität von der Schergeschwindigkeit abhängt, präziser die Strukturvis kosität, extrudierter keramischer Massen höher als die von Kunststoffen und zum Anderen hat eine keramische Masse im Allgemeinen eine Fließgrenze. Weiter ist bei der Extrusion von keramischen Flachprofilen zu beachten, dass die nachfolgenden Weiterverarbeitungsschritte wie beispielsweise ein Entbindern oder ein Sintern sehr empfindlich auf in den ex trudierten Flachprofilen eingefrorene Spannungen reagieren.

Dazu erläutert Fig. 2 das Geschwindigkeitsprofil einer mit einer üblichen Breitschlitzdüse extrudierten keramischen Masse im Düsenauslauf für verschieden stark ausgeprägte Vis kositäten der extrudierten keramischen Massen, wobei erkenn bar ist, dass die Fließgeschwindigkeit an den Rändern der Düse jeweils null und in der Mitte maximal ist. Die Viskosi tät bzw. Strukturviskosität der extrudierten keramischen Masse ist dabei durch den sogenannten Fließexponenten m cha rakterisiert, der definiert ist durch:

= Φτ^m

wobei der Gradient der Fließgeschwindigkeit, d. h. die Schergeschwindigkeit in der extrudierten Masse, Φ die Flui dität und τ die Schubspannung ist. Entsprechend gilt für die Viskosität bzw. Strukturviskosität η der keramischen Masse:

In Fig. 2 ist erkennbar, dass die Schergeschwindigkeit im Mittelpunkt des Düsenauslaufes null und am Rand maximal ist. Die Schergeschwindigkeit an den Rändern der Düse wird mit _w bezeichnet. Die Wandscherrate _w errechnet sich bei gegebenem Volumendurchsatz zu:

wobei m wieder der Fließexponent der extrudierten Masse und damit ein Maß für die Strukturviskosität für diese Masse ist, und wobei H die Höhe der Breitschlitzdüse am betrachte ten Ort und B deren Breite ist.

Aus Fig. 2 ist insbesondere entnehmbar, dass bei einem Vor handensein einer Fließgrenze bzw. bei einem hohen Fließexpo nenten m eine Scherung des extrudierten Materials nahezu ausschließlich im Randbereich der Düse auftritt. Diese Sche rung bewirkt im Fall extrudierter, polymergebundener kerami scher Massen eine Orientierung der diesen Massen zugesetzten Bindermoleküle, was bei einer nachfolgenden Aufbautechnik der extrudierten Flachprofile, beispielsweise einem Bedruc ken mittels Siebdruck bzw. eine Lamination, eine erhebliche Nachschrumpfung der extrudierten Flachprofile hervorrufen kann. Da weiter durch die unterschiedlichen Schergeschwin digkeiten sich ein Grad der Molekülorientierung in den ex trudierten Flachprofilen einstellt, der über die Dicke die ser Folie nicht konstant ist, kann eine derartige Nach schrumpfung bzw. Relaxation, die mit einer makroskopischen Formänderung verbunden ist, in der Regel nicht vollständig ablaufen. Somit bleiben bisher stets innere Spannungen zu rück, die sich bei nachfolgenden Druckschritten bzw. Lamina tionsschritten als unerwünschte Geometrieänderungen (Schrumpf) bemerkbar machen. Weiter tritt bei einem nachge schalteten Sintern häufig auch eine blätterteigartige Dela mination im Bereich der Folienoberflächen auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war die Bereitstellung einer Düse zur Herstellung von Flachprofilen, die die vorge nannten Nachteile vermeidet und insbesondere eine homogenere Schergeschwindigkeit und einen homogeneren Gradienten der Molekülorientierung über die Dicke der extrudierten Flach profile gewährleistet.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Düse zur Herstellung von Flachprofilen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass die damit hergestellten Flachprofile bei einem nachgeschalteten Tempern eine gegenüber dem Stand der Technik deutlich ver ringerte anisotrope Schrumpfung aufweisen. Weiter tritt auch eine insgesamt geringere Nachschrumpfung bei anschließenden Druckschritten bzw. bei einer Lamination auf. Zudem ist vor teilhaft, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Düse bei einem Sintern der hergestellten Flachprofile keine blätterteigartige Delamination zu beobachten ist, und dass auch keine sogenannten "Rattermarken" durch "stick-slip" auftreten, d. h. eine unruhige schuppenartige Oberfläche des Extrudats, die durch Unstetigkeitsstellen in der Fließkurve beim Extrudieren verursacht worden ist.

Darüber hinaus ist vorteilhaft, dass abgesehen von der er findungsgemäßen Modifikation des Düsenauslaufes weiterhin ansonsten aus dem Stand der Technik bekannte Breitschlitzdü sen zur Extrusion von keramischen Grünfolien bzw. Kunst stofffolien eingesetzt werden können. Dadurch, dass ledig lich der in unmittelbarer Umgebung der Austrittsöffnung der Düse befindliche Bereich des Düsenauslaufes durch eine be sondere geometrische Ausgestaltung verändert wird, ist eine erfindungsgemäße Düse weiter einfach herstellbar und in be stehende bzw. bekannte Extrudieranlagen integrierbar. Damit ist der Aufwand zur Fertigung der erfindungsgemäßen Düsen vergleichbar mit dem für bekannte Düsen und es fallen keine nennenswerten Investitionen in neue Extrudieranlagen an.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen.

So ist besonders vorteilhaft, wenn der Düsenauslauf von ei ner ersten Lippe und einer dieser gegenüber angeordneten, zweiten Lippe gebildet ist, die zunächst außerhalb einer un mittelbaren Umgebung der schlitzförmigen Austrittsöffnung zumindest bereichsweise einen konstanten ersten Abstand und an der Austrittsöffnung dann einen zweiten, gegenüber dem ersten Abstand kleineren Abstand aufweisen, wobei sich der erste Abstand in dem Bereich der unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung linear auf den zweiten Abstand hin verengt. Besonders vorteilhaft ist, wenn dieses lineare Verengen von dem ersten Abstand auf den zweiten Abstand mit einem Stei gungswinkel erfolgt, der an den Fließexponenten der jeweils extrudierten keramischen Masse angepasst ist.

Zeichnungen

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen und in der nach folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ei ne aus dem Stand der Technik bekannte Breitschlitzdüse zur Extrusion keramischer Grünfolien, Fig. 2 das Geschwindig keitsprofil extrudierter Massen in dem Düsenauslauf der Düse gemäß Fig. 1 als Funktion des Fließexponenten m und Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Mundstück einer Breitschlitzdüse gemäß Fig. 1 im Schnitt. Die Fig. 4 erläutert als Ausschnitt aus Fig. 3 die Definition des Steigungswinkels α.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung geht zunächst aus von einer Breitschlitzdüse 10 zur Extrusion keramischer Grünfolien, wie sie prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt ist. Insbesondere weist eine solche bekannte Breitschlitzdüse 10 gemäß Fig. 1 einen Zulauf zur Zufuhr der durch eine Austrittsöffnung 13 austretenden fließfähigen Masse und einen nachgeschalteten Vertei lerkanal mit einem Drosselfeld auf, der in einen Düsenaus lauf 20 bzw. ein Düsenmundstück mündet. In diesem Düsenaus lauf 20 ist eine erste Lippe 11 und eine dieser gegenüber angeordnete zweite Lippe 11' vorgesehen, die zunächst einen ersten Abstand von beispielsweise 1,5 mm voneinander aufwei sen, der sich dann vor der Austrittsöffnung 13 auf einen kleineren zweiten Abstand von beispielsweise 0,5 mm ver engt, wobei dieser zweite Abstand dann nach dem Verengen bis zu der Austrittsöffnung 13 konstant bleibt. Insofern ist ge mäß Fig. 1 bisher vorgesehen, dass der Abstand der ersten Lippe 11 von der zweiten Lippe 11' in der unmittelbaren Um gebung der Austrittsöffnung 13 konstant ist.

Die Fig. 2 zeigt das Geschwindigkeitsprofil einer kerami schen Masse in dem Düsenauslauf 20 in einem Bereich 12, der an der Austrittsöffnung 13 endet, wobei auf der x-Achse die Fließgeschwindigkeit und auf der z-Achse die Höhe aufgetra gen ist. Insbesondere ist die Fließgeschwindigkeit null am Ort der Wände der Lippen 11, 11'.

Aus Fig. 2 geht hervor, dass der Gradient der Fließge schwindigkeit, d. h. die Schergeschwindigkeit in der Masse, vor allem in der Nähe der Wände bzw. Rändern der Düse 10, d. h. an den Lippen 11, 11', besonders groß ist. Dieser Ef fekt ist besonders ausgeprägt bei Massen, die einen hohen Fließexponenten m aufweisen bzw. bei Massen, die eine Fließ grenze besitzen.

Die Fig. 3 zeigt in Abwandlung von Fig. 1 einen erfin dungsgemäßen Düsenauslauf 20 einer Breitschlitzdüse zur Ex trusion keramischer, insbesondere polymergebundener Grünfo lien mit einer ersten Lippe 11 und einer zweiten Lippe 11', der in einer schlitzförmigen Austrittsöffnung 13 mündet. Der Düsenauslauf 20 gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von Fig. 1 dadurch, dass sich die Höhe des schlitzförmigen Düsenauslau fes 20 beginnend in einer unmittelbaren Umgebung 12' der schlitzförmigen Austrittsöffnung 13 bis hin zu der schlitz förmigen Austrittsöffnung 13 kontinuierlich und linear ver engt. Insofern weisen die Lippen 11, 11' zunächst einen kon stanten ersten Abstand h₁ voneinander auf, der sich dann in der unmittelbaren Umgebung 12' der Austrittsöffnung 13 line ar auf den zweiten, kleineren Abstand h₂ verengt.

Auf diese Weise wird der Düsenauslauf 20 gemäß Fig. 1 mit einem langen planparallelen Mundstück in dem Bereich 12 der endgültigen Schlitzhöhe ersetzt durch einen schneidenähnli chen Auslauf des Mundstückes in einem Verengungsbereich, der die unmittelbare Umgebung 12' der Austrittsöffnung 13 bil det. Der schneidenförmige Verengungsbereich 12' unmittelbar vor der Austrittsöffnung 13 führt somit zu einer Formgebung der extrudierten Flachprofile auf die gewünschte Dicke h₂ erst unmittelbar vor der Austrittsöffnung 13. Da weiter vor diesem Verengungsbereich 12' die Höhe des Düsenauslaufes, d. h. der erste Abstand h₁ größer als in dem Bereich 12 gemäß Fig. 1 ist, führt dies dort zu einer verringerten maximalen Schergeschwindigkeit _w und damit auch zu einem verringer ten Schergeschwindigkeitsgradienten.

Durch den schneidenförmigen Verengungsbereich 12' in dem Dü senauslauf 20 gemäß Fig. 3 wird der Scherströmung dort eine Dehnungströmung überlagert, die zwar ebenfalls eine Orien tierung von beispielsweise in der polymergebundenen kerami schen Masse enthaltenen Polymermolekülen bzw. Bindermolekü len in x-Richtung bewirkt, diese Dehnung ist jedoch homogen über die Foliendicke, d. h. homogen bezüglich der z-Richtung. Insbesondere muss sich nun die gesamte extrudierte Masse verformen und es können nicht, wie bei einer Scherströmung, durch eine Fließgrenze Bereiche entstehen, die nicht flie ßen. Insgesamt wird daher durch die erfindungsgemäße Düsen geometrie der Gradient der Bindermolekülorientierung in den extrudierten Flachprofilen verringert.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das lineare Verengen von dem ersten Abstand h₁ auf den zweiten Abstand h₂ in dem Verengungsbereich 12' mit einem Steigungswinkel α erfolgt, für den zumindest nähe rungsweise gilt:

tan α = m + 2

wobei m wieder der Fließexponent der durch die Austrittsöff nung 13 austretenden beispielsweise keramischen polymerge bundenen Masse ist. Die Definition von α ergibt sich auch aus Fig. 4.

Durch die erläuterte Wahl des Winkels α wird erreicht, dass die Dehnungsgeschwindigkeit und die Schergeschwindigkeit in dem Düsenauslauf 20 in der gleichen Größenordnung liegen. Insbesondere wird dadurch erreicht, dass die Dehngeschwin digkeit in dem schneidenförmigen Verengungsbereich 12' gleich der maximalen Schergeschwindigkeit, d. h. der Wand schergeschwindigkeit, ist.

Im Übrigen sei erwähnt, dass der erste Abstand h₁ zwischen den beiden Lippen 11, 11' zwischen 250 µm und 40 mm liegt und insbesondere 250 µm bis 2 mm beträgt, und dass der zwei te Abstand h₂ an der Austrittsöffnung 13 zwischen 70 µm und 10 mm liegt und insbesondere 70 µm bis 1 mm beträgt. Inso fern setzt das Verengen von dem ersten Abstand h₁ auf den zweiten Abstand h₂ je nach Einstellung dieser Werte und dem Steigungswinkel α üblicherweise in einem Abstand von 1 mm bis 5 mm vor der Austrittsöffnung 13 ein. Dieser Bereich de finiert den Verengungsbereich 12' bzw. die unmittelbare Um gebung der schlitzförmigen Austrittsöffnung 13. Die Breite der Breitschlitzdüse 10 kann bis zu 4 m erreichen.

Abschließend sei noch betont, dass der erste Abstand h₁ und damit einher gehend auch der zweite Abstand h₂ in bekannter Weise in der Düse 10 variabel einstellbar ist.

Claims

1. Düse zur Herstellung von Flachprofilen, insbesondere Breitschlitzdüse zur Extrusion von keramischen Grünfolien, mit einem schlitzförmigen Düsenauslauf, der in einer Aus trittsöffnung mündet, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Höhe des schlitzförmigen Düsenauslaufes (20) beginnend in einer unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) bis hin zu der Austrittsöffnung (13) verengt.

2. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verengen ein kontinuierliches Verengen ist.

3. Düse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenauslauf (20) von einer ersten Lippe (11) und einer dieser gegenüber angeordneten, zweiten Lippe (11') ge bildet ist, die außerhalb der unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) zumindest bereichsweise einen konstan ten ersten Abstand (h₁) und an der Austrittsöffnung (13) ei nen zweiten, gegenüber dem ersten Abstand (h₁) kleineren Ab stand (h₂) aufweisen, wobei sich der erste Abstand (h₁) der Lippen (11, 11') in dem Bereich der unmittelbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) linear auf den zweiten Abstand (h₂) verengt.

4. Düse nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das lineare Verengen von dem ersten Abstand (h₁) auf den zweiten Abstand (h₂) mit einem Steigungswinkel (α) erfolgt, für den zumindest näherungsweise gilt:
tan α = m + 2
wobei m der Fließexponent einer durch die Austrittsöffnung (13) austretenden fließfähigen Masse ist.

5. Düse nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (h₁) zwischen 250 µm und 2000 µm und der zweite Abstand (h₂) zwischen 70 µm und 1000 µm liegt.

6. Düse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verengen in einem Abstand von 1 mm bis 5 mm vor der Aus trittsöffnung (13) einsetzt.

7. Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenauslauf (20) in einer unmit telbaren Umgebung der Austrittsöffnung (13) schneidenförmig ausgebildet ist.

8. Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (h₁) und/oder der zweite Abstand (h₂) variabel einstellbar ist.

9. Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zulauf zur Zufuhr der durch die Austrittsöffnung (13) austretenden fließfähigen Masse und ein nachgeschalteter Verteilerkanal mit einem Drosselfeld vorgesehen ist, der in den Düsenauslauf (20) mündet.

10. Verwendung einer Düse nach einem der vorangehenden Ansprüche in einer Extrudieranlage zur Extrusion polymerge bundener keramischer Flachprofile oder Grünfolien.