Kunststoffschlauch

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kunststoffschlauches und einen Kunststoffschlauch.

Derartige Schläuche werden z.B. für den Transport von Fluiden in der Halbleitertechnik eingesetzt.

Schläuche aus Kunststoffmaterialien werden gewöhnlich mittels eines Extrusionsverfahrens hergestellt. Hierbei wird ein üblicherweise festes Rohmaterial durch einen Extruder geführt, verflüssigt und verdichtet, anschließend durch eine Matrize gepresst und in einem Kühlbad abgekühlt.

Ein derartiges Verfahren ist aus der US 3 826 122 und der US 6 526 859 Bl bekannt.

Aus der DE 695 30 876 T2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schlauchrohlings bekannt, bei dem ein halbfertiger Schlauchrohling hergestellt wird, welcher anschließend weiteren Verarbeitungsschritten, wie beispielsweise Dehnen oder Strecken, unterzogen werden kann. Die Herstellung erfolgt mittels einer Extrusionsvorrichtung, die einen Extruder und einen Düsenkörper umfasst. Der Extrusionsvorrichtung wird eine PTFA-Paste zugeführt, zu einem Strang vorgeformt und in den Extruder eingeführt. Der durch den Extruder durchgeleitete röhrenförmige PTFA-Strang wird weiter zu einem Düsenkörper geleitet. Das austretende röhrenförmige Extrudat verlässt die Extrusionsvorrichtung und wird anschließend auf eine beliebige Länge zugeschnitten. Während der Herstellung wird die Extrusionsvorrichtung und somit der herstellbare Schlauchrohling unter konstanter Temperatur gehalten.

Es ist bekannt, die Temperaturbedingungen während eines derartigen Extrusionsvorganges abhängig von der Schmelztemperatur des verwendeten Polymervormaterials variabel zu l steuern. Aus der US 2013/0000767 Al ist ein Extrusionsverfahren bekannt, bei welchem die herzustellenden Schläuche nach dem Formen in einem Extruder bei einer erhöhten Temperatur vulkanisiert und anschließend mit einem kalten Fluid abgekühlt werden.

Bekannte Fierstellungsverfahren haben den Nachteil, dass während der Fierstellung diverse Verunreinigungen, insbesondere Verunreinigungen organischen Ursprungs, in das Schlaumaterial eingebracht werden. Werden derart verunreinigte Schläuche in einer Anlage eingebaut, können die genannten Verunreinigungen oder deren flüchtige sowie nicht flüchtige Bestandteile in die Anlage freigesetzt werden. Dieser Vorgang wird als Ausgasen bezeichnet.

Das Vorhandensein der genannten Verunreinigungen wird als „TOC" (Total Organic Contamination) bezeichnet und mittels einem s.g. TOC-Wert charakterisiert.

Die freigesetzten TOC-Verunreinigungen können den Betrieb einer Anlage derart beeinträchtigen, dass die Effizienz der betroffenen Anlage signifikant vermindert wird.

Es ist bekannt, die fertiggestellten Schläuche einem kalten oder warmen Luftstrom auszusetzen, um das spätere Ausgasen möglichst zu verringern. Dieser Prozess ist allerdings nicht geeignet, um die TOC-Verunreinigungen weit genug zu entfernen. Außerdem ist dieser Prozess zeit- und kostenintensiv.

Es hat sich herausgestellt, dass herkömmliche Schläuche die Grenzwerte für TOC willkürlich über- oder unterschreiten, ohne das eine Vorhersage getroffen werden könnte. Dies führt zu einigem Aufwand, da die Ist-Werte bestimmt werden müssen und ggf. die Schläuche erst beim Verwender als untauglich klassifiziert werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fierstellung von Kunstoffschläuchen zu schaffen, mit dem vorhersagbar und zuverlässig die Einhaltung der TOC-Grenzwerte sichergestellt werden kann.

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Herstellung eines Kunststoffschlauches zu schaffen, mit dem Schläuche erzeugt werden können, die die TOC- Grenzwerte einhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Aufgabe wird mit der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen entsprechenden Schlauch zu schaffen, der die TOC-Grenzwerte sicher einhält.

Die Aufgabe wird mit dem Schlauch mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.

Es wurde erkannt, dass die auf üblichem Wege hergestellten Schläuche oft eine zu hohe TOC- Belastung aufweisen. DieTOC-Schwankungen sind nicht vorhersehbar und die hohe Belastung wird häufig erst in der Anwendung festgestellt und führt dazu, dass hoch belastete Schläuche verworfen werden müssen. Außerdem führt eine hohe TOC-Belastung zu einer Verunreinigung der betroffenen Anlage. Um dies zu verhindern, haben die Erfinder erkannt, dass die Schläuche im Vorfeld sorgfältig und insbesondere in mehreren Stufen gereinigt werden müssen.

Die Erfindung sieht in einer Weiterbildung vor, dass jeder Herstellungsschritt in Bezug auf TOC-Verunreinigungen kontrolliert wird, um mögliche TOC-Verunreinigungen in jeweiligem Herstellungsschritt auszuschließen. Hierfür werden möglichst reine, belastungsfreie Rohmaterialien verwendet. Sie werden einem Extrusionsprozess unterworfen und in jedem Herstellungsschritt einem Reinigungsprozess unterzogen.

Als Rohmaterialien sind Verbindungen geeignet, die als Vorstufen für Thermoplasten verwendet werden können.

Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich verformen lassen oder verflüssigen. Dieser Vorgang ist reversibel und die Abkühlung und Wiedererwärmung können beliebig oft wiederholt werden. Wird die s.g. Zersetzungstemperatur erreicht, welche materialabhängig ist, wird das Material irreversibel degradiert.

Die am häufigsten verwendeten Thermoplaste sind Polyolefine wie Polyethylen und Polypropylen. Eine industrielle Anwendung finden auch andere Thermoplaste, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyamide (PA), Polylactat (PLA), Polymethyl methacrylat (PMMA), Polycarbonat (PC), Polyethylenterephthalat (PET), Polystyrol (PS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyvinylchlorid (PVC).

Nach der Erfindung wird ein vorzugsweise unter Reinraumbedingungen verpacktes Rohmaterial, üblicherweise in Granulatform, einer Extrusionsvorrichtung zugeführt.

Als Reinraum wird ein Raum bezeichnet, in dem die Konzentration der luftgetragenen Teilchen sehr gering gehalten wird. Eine Verpackung unter Reinraumbedingungen dient dazu, mögliche Kontaminationen im Vorfeld auszuschließen. Das zu verwendende Rohmaterial kann unter Reinraumbedingungen in speziellen, vorzugsweise für Reinraumanwendungen geeigneten Verpackungen verpackt werden. Um die Kontaminationen so gering wie möglich zu halten, kann das Rohmaterial mehrfach, beispielsweise doppelt oder dreifach, verpackt werden.

In der Extrusionsvorrichtung wird das Material mindestens einem Reinigungsschritt unterzogen. Als Reinigungsmedium kann hierbei ein Fluid verwendet werden. Vorzugsweise können mehrere Reinigungsstufen vorgesehen sein.

Geeignete Fluide können gasförmig oder flüssig sein.

Insbesondere gut geeignet sind Fluide wie XCDA (Extreme Clean Dry Air), XCFIA (Extreme Clean Flumid Air) oder UPW (Ultra Pure Water). Die Fluide können kalt oder warm sein.

Die Erfindung betrifft somit insbesondere ein Verfahren zum Fierstellen eines extrudierten Schlauchs, wobei der Schlauch aus einem Kunststoffmaterial ausgebildet wird, welches in flüssiger oder pastöser Form aus einer Matrize ausgepresst wird, wobei ein Rohmaterial einem Extruder zugeführt wird und im Extruder verflüssigt und verdichtet sowie ggf. entgast wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohmaterial und/oder der Schlauch mit einem Fluid vor und/oder nach der Extrusion gespült wird. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das das Rohmaterial vor der Zufuhr in den Extruder mit dem Fluid gespült wird.

Bei einer wiederum vorteilhaften Ausführungsform wird der Schlauch beim Austritt aus der Matrize von innen und/oder außen mit dem Fluid gespült.

Es ist vorteilhaft, wenn der Bereich des Schmelzbads von einer Ummantelung zur Abschirmung von äußeren Kontaminationen umgeben ist

Vorteilhafterweise wird der Schlauch zusätzlich in einem Kühlbad von innen und/oder außen mit dem Fluid gespült.

Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Rohmaterial und/oder der Schlauch mit einem gasförmigen Fluid gespült.

Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn das Fluid ein extrem trockenes oder feuchtes Gas ist.

Eine wiederum vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Fluid Luft, Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasserdampf, Reaktionsgase wie beispielsweise Ozon, ein Edelgas oder eine Mischung der vorgenannten Gase ist.

Vorteilhafterweise kann das Fluid eine Flüssigkeit ist, insbesondere gereinigtes und/oder destilliertes Wasser oder ein anderes flüssiges Lösemittel sein.

Zudem ist es vorteilhaft, wenn eine Matrize verwendet wird, welche eine Fluidzuführeinrichtung derart aufweist, dass das Fluid innen in den ausgepressten Schlauch eingespült werden kann.

Vorteilhafterweise wird das Fluid gegen die Zuführrichtung des Rohmaterials durch das Rohmaterial geleitet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass das Fluid nach dem Durchtritt durch das Rohmaterial oder den Schlauch abgesaugt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Durchführen des oben genannten Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Extrusionsvorrichtung ist, welche eine Rohmaterial- Zuführeinrichtung mit einer Zuführöffnung umfasst, wobei die mit einer ersten Reinigungseinrichtung verbunden ist, wobei das untere Ende der ersten Reinigungseinrichtung mit einem Extrudereinlass verbunden ist, wobei der Extrudereinlass an einem Extruder angeordnet ist, welcher eine Schnecke und einen Extruderauslass umfasst, wobei an dem Extruderauslass eine Matrize angeordnet ist, welche eine Fluidzuführeinrichtung umfasst.

Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass nach der Matrize ein Schmelzbad mit einer zweiten Reinigungseinrichtung angeordnet ist.

Bei einer wiederum vorteilhaften ausführungsform ist nach dem Schmelzbad ein Kühlbad mit einer dritten Reinigungseinrichtung angeordnet.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. Es zeigen dabei:

Figur 1: Eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung;

Figur 2: Eine konventionelle Extrusionsvorrichtung.

Eine konventionelle Extrusionsvorrichtung 101 (Figur 2) umfasst bekannterweise eine Zuführeinrichtung 102 mit einer Zuführöffnung 103. Das untere Ende der Zuführeinrichtung 101 ist mit einem Extruder verbunden. Der Extruder umfasst eine Schnecke 104 und einen Extruderauslass 105. An dem Extruderauslass 105 ist eine Matrize 106 angeordnet. Nach der Matrize 106 sind ein Kühlbad 107 und ein Auslass 108 angeordnet.

Das Rohmaterial wird durch die Zuführöffnung 103 eingeführt und gelangt durch die Zuführeinrichtung 102 in den Extruder. Im Extruder wird das Rohmaterial verflüssigt und verdichtet und anschließend durch die Matrize 106 gepresst. Dabei entsteht ein Schlauch 109, der in das Kühlbad 107 geleitet wird. Im Kühlbad 107 findet die Kühlung des Schlauchs 109 statt. Das fertige Produkt wird durch den Auslass 108 entfernt. Die Die Reinigung erfolgt üblicherweise, indem das fertig geformte Produkt am Ende des Fierstellungsprozesses mit Luft durchgespült wird.

Eine erfindungsgemäße Extrusionsvorrichtung 1 (Figur 1) umfasst eine Rohmaterial- Zuführeinrichtung 2 mit einer Zuführöffnung 3. Am unteren Ende der Zuführeinrichtung 2 ist eine erste Reinigungseinrichtung 4 angeordnet. Die erste Reinigungseinrichtung 4 kann rohrförmig ausgebildet sein. Die erste Reinigungseinrichtung 4 umfasst einen ersten Fluideinlass 5 und einen ersten Fluidauslass 6. Der erste Fluideinlass 5 ist am unteren Ende und der erste Fluidauslass 6 am oberen Ende der ersten Reinigungseinrichtung 4 angeordnet. Das untere Ende der ersten Reinigungseinrichtung 4 ist mit einem Extrudereinlass 7 verbunden. Der Extrudereinlass 7 ist ein Teil eines Extruders 8, welcher zudem eine Schnecke 9 und einen Extruderauslass 10 umfasst. Die Schnecke 9 ist im Inneren des Extruders 8 axial angeordnet. Am Extruderauslass 10 ist eine Matrize 11 angeschlossen. Die Matrize 11 umfasst einen zweiten Fluideinlass 12. Nach der Matrize 11 befindet sich ein Schmelzbad 13. Im Bereich des Schmelzbades 13 ist eine zweite Reinigungseinrichtung 14 vorgesehen. Der Bereich des Schmelzbads 13 ist von einer Ummantelung 13a umgeben. Nach dem Schmelzbad 13 ist ein Kühlbad 15 angeordnet. Das Kühlbad 15 umfasst eine dritte Reinigungseinrichtung 16.

Die Extrusionsvorrichtung 1 kann sich selbstverständlich auch in einem Reinraum befinden, so dass die Außenseite des Rohlings bzw. des Schlauchs 17 nach der Produktion von möglichen Kontaminationen von außen geschützt wird. Zudem kann dann der produzierte Schlauch 17 auch unter Reinraumbedingungen verpackt werden.

Das vorzugsweise unter Rein raum beding ungen insbesondere mehrfach verpackte Rohmaterial wird durch die Zuführöffnung 3 der Zuführeinrichtung 2 in die Extrusionsvorrichtung 1 eingeführt. Durch die Zuführeinrichtung 2 gelangt es in die erste Reinigungseinrichtung 4, wo es mit einem Reinigungsmedium gereinigt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um ein kaltes oder warmes XCDA- oder XCHA-Fluid handeln. Die Reinigung erfolgt, indem das entsprechende Fluid am unteren Ende der ersten Reinigungseinrichtung 4 durch den ersten Fluideinlass 5 eingeleitet wird und gegen die Zuführrichtung des Rohmaterials fließt. Die im Rohmaterial enthaltenen Verunreinigungen werden von dem Reinigungsmedium aufgenommen und durch den ersten Fluidauslass 6, welcher sich am oberen Ende der Reinigungseinrichtung 4 befindet, herausgespült.

Das derart vorgereinigte Rohmaterial wird weiter in den Extrudereinlass 7 geleitet und gelangt in den Extruder 8. Im Extruder 8 wird das Rohmaterial in herkömmlicher Weise verflüssigt und verdichtet und gegebenenfalls entgast. Das verflüssigte Rohmaterial verlässt den Extruder 8 durch den Extruderauslass 10 und wird durch die Matrize 11 gepresst und zu einem Schlauch 17 geformt. Hierbei wird durch den zweiten Fluideinlass 12 das Reinigungsmedium, insbesondere XCDA oder XCHA, durch die Matrize 11 in das Schlauchinnere eingeleitet. Die Verunreinigungen, insbesondere TOC-Verunreinigungen, werden von dem Reinigungsmedium aufgenommen und am Schlauchende heraustransportiert. Auf diese Weise wird das Innere des Schlauchs 17 gereinigt.

Nachfolgend tritt der Schlauch schmelzflüssig aus dem Extrudermundstück aus. Dieser Bereich wird als Schmelzbad 13 bezeichnet. Die Außenseite des Schlauchs 17 wird hierbei in einem dritten Reinigungsschritt gereinigt. Der dritte Reinigungsschritt findet im Schmelzbad 13 statt, indem das Reinigungsmedium, ein Fluid, insbesondere XCDA, durch die zweite Reinigungseinrichtung 14 eingeleitet wird. Hierbei wird der heiße und noch sehr niedrig viskose Schlauch 17 von außen mit dem Reinigungsmedium gespült. Auf diese Weise werden die Verunreinigungen, insbesondere TOC-Verunreinigungen, von der Außenseite des Schlauchs 17 entfernt.

Im Bereich des Schmelzbades 13 ist vorteilhafter Weise eine Ummantelung 13a oder Einhausung 13a derart vorgesehen, dass der Schlauch beim Austritt aus dem Extrudermundstück nicht mit der Außenatmosphäre in Berührung kommt, sondern abgeschirmt vorzugsweise bis zum Kühlbad geführt ist. Die Ummantelung 13a, die den Bereich des Schmelzbades umgibt, schirmt somit den sich noch im flüssigen Zustand befindenden Schlauch 17 ab, sodass keine Kontaminationen von außen in die Schmelze gelangen können.

Die Ummantelung 13a kann rohförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Sie besteht aus einem Feststoff und kann transparente Bereiche aufweisen.

Somit findet auch der Reinigungsschritt in effektiver Weise innerhalb der Ummantelung, also einem geschlossenen Raum statt, hierfür ist in Vorteilhafter Weise eine Zuführung für das Reinigungsfluid und eine Abführung für das Reinigungsfluid vorhanden.

Somit erfolgt eine gleichzeitige Reinigung von innen und außen, insbesondere im heißen Bereich, in dem die TOC-Verunreinigungen besonders flüchtig sind.

Der vierte Reinigungsschritt findet im Kühlbad 15 statt. Durch die dritte Reinigungseinrichtung 16 wird das Reinigungsmedium, insbesondere UPW, eingeleitet und die weiteren Verunreinigungen entfernt. Auf diese Weise kann eine besonders zuverlässige und effektive Reinigung sicher gestellt werden. Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass die Verunreinigungen, insbesondere TOC- Verunreinigungen, wenn notwendig, in mehreren Reinigungsschritten zuverlässig entfernt werden.

Beim ersten Reinigungsschritt wird das Rohmaterial vorgereinigt, um die TOC-Belastung im Vorfeld zu reduzieren.

Vorteilhafterweise kann auch ein Rohmaterial verwendet werden, das einen besonders hohen Reinheitsgrad aufweist.

Im zweiten Reinigungsschritt wird der Schlauch 17 von innen und im dritten Reinigungsschritt von außen mit einem Fluid gereinigt. Diese Schritte finden quasi parallel statt. Zudem wird der noch niedrig-viskose Schlauch 17 im Bereich des Schmelzbads 13 vor einer möglichen äußeren Kontamination durch eine Ummantelung 13a geschützt.

Vorteilhafterweise werden im vierten Reinigungsschritt, der im Kühlbad 15 stattfindet, noch vorhandene Verunreinigungen mit einem Fluid weitestgehend entfernt.

Ein weiterer Vorteil ist, dass die Effekte des Ausgasens reduziert oder sogar verhindert werden können.

Erfindungsgemäß ist von Vorteil, dass Schläuche mit einem sehr hohen Reinheitsgrad hergestellt werden können, sodass keine zusätzliche Reinigung vor der Anwendung, beispielsweise in einer Anlage, notwendig ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Reinigung wurde anhand eines Extrusionsverfahrens beschrieben. Dem Fachmann ist klar, dass die Erfindung mit gleichem Erfolg selbstverständlich unabhängig vom Formgebungsverfahren eingesetzt werden kann, da die erfindungsgemäße Erkenntnis der Reinhaltung sowie der Reinigung der Komponenten und der Zwischenerzeugnisse selbstverständlich unabhängig vom Formgebungsverfahren ist. Insofern steht die Extrusion hier stellvertretend für alle geeigneten Formgebungsverfahren, welches zum Beispiel Blasverfahren, Pressverfahren, Spritzverfahren und Kombinationen hieraus sein können. Auch diese Aufzählung ist aber nicht als abschließend zu verstehen.