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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von fein zu verteilenden Zusatzstoffen, wie Farbstoffen oder Stabilisatoren mit Kunststoffschmelzen
Bei der Herstellung von thermoplastischen polymeren Kunststoffen fallen diese häufig mit einem für die Verarbeitung zu hohen Gehalt an flüchtigen Verbindungen an, die aus den Kunststoffen entfernt werden müssen. Solche flüchtigen Verbindungen können aus Restmonomeren bestehen, wenn z. B. die Reaktion nicht bis zum quantitativen Umsatz abgelaufen ist. Es können anderseits auch organische oder anorganische Lösungsmittel in dem Endprodukt enthalten sein. Dies ist z. B. bei den Lösungspolymerisaten der Fall. Schliesslich kann es erforderlich sein, flüchtige Verbindungen, die die Polymerisation beeinflussen, wie Regler oder Katalysatoren, vor der Verarbeitung zu entfernen.
Für die Entfernung solcher flüchtiger Anteile gibt es eine Reihe bekannter diskontinuierlicher und kontinuierlicher Verfahren, die auf der Einwirkung von Wärme und/oder vermindertem Druck beruhen.
Häufig wird bei einer kontinuierlichen Arbeitsweise zur Entfernung der flüchtigen Anteile aus Kunststoffen eine Entgasungschneckenpresse verwendet, die in den meisten Fällen mit Einfach- oder Doppelschnecke ausgerüstet ist. Bei einer solchen Maschine wird das feste, flüchtige Anteile enthaltende Produkt aufgeschmolzen oder, falls der Kunststoff als Schmelze vorliegt, diese flüchtige Anteile enthaltende Schmelze in die Maschine kontinuierlich eingebracht. Beim Durchgang durch die Schnekkenmaschine wird die Schmelze in einer oder mehreren Entgasungskammern, gegebenenfalls unter Vakuum, entgast. Die entgaste Schmelze verlässt den Düsenkopf und wird entweder heiss oder nach dem Abkühlen zerkleinert.
Es ist ausserdem oft erforderlich, die von flüchtigen Anteilen befreiten Kunststoffe mit Zusatzstoffen, wie Farbstoffen, Weichmachern, Stabilisatoren od. dgL zu vermischen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von fein zu verteilenden Zusatzstoffen, wie Farbstoffen oder Stabilisatoren, mit Kunststoffschmelzen durch Vorvermischen einer Teilmenge des pulver- oder granulatförmigen Kunststoffes mit dem fein zu verteilenden Stoff und anschliessendes Aufschmelzen und Homogenisieren sowie Vermischen dieser Teilmenge mit der im geschmolzenen Zustand eingebrachten Hauptmenge des Kunststoffes vor der Einführung in eine zweite Mischzone und Entgasen dieses Gemisches in mindestens einer Entgasungszone.
Es wurde nun gefunden, dass aus thermoplastischen Kunststoffen mit flüchtigen Bestandteilen sehr reine Endprodukte erhalten und die flüchtigen Bestandteile weitgehend ausgetrieben werden, wenn erfindungsgemäss das Gemisch anschliessend in der zweiten Mischzone einer Entgasung unterzogen wird.
Der Gehalt der Kunststoffschmelze an flüchtigen Anteilen kann zwischen 0, 1 und 70 Gew. -0 ; 0 liegen.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens besteht aus einem Schnecken-
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mischer mit mindestens einer Entgasungsöffnung und vor dieser angeordneten Stauelementen und ist da- durch gekennzeichnet, dass in der Förderrichtung vor dem oder den Stauelementen für die Entgasungs- öffnungen eine Mischkammer angeordnet ist, welche von einem weiteren Stauelement vor einem Zu- führungsstutzen für die Hauptmenge des Kunststoffes begrenzt ist, durch welches Stauelement die homo- genisierte Teilmenge des Kunststoffes und des fein zu verteilenden Stoffes der Mischkammer zuführbar ist.
Zwischen der zylindrischen Aussenfläche des Stauelementes und der Wand des Gehäuses entsteht jeweils ein Spalt, der nicht breiter sein soll als 2 mm. Hiebei sollte der freie Querschnitt in der Stau- zone kleiner sein als in der vorhergehenden Zone.
Um in dem zu fördernden Gut einen hohen Druck zu erreichen, kann in dem Stauelement jeweils auch ein umgekehrt geschnittenes, d. h. rückwärts förderndes Gewinde vorgesehen werden.
Schliesslich kann in dem Stauelement jeweils ein vorwärts förderndes Gewinde vorgesehen werden.
Entscheidend ist, dass durch veränderte Steigung bzw. durch veränderten Kerndurchmesser ein Stau im
Fördergut auftritt.
Entgasung und Einfärbung von flüchtige Anteile enthaltenden Kunststoffmassen werden nach be- kannten Verfahren in zwei getrennten Vorrichtungen und in zwei Arbeitsgängen durchgeführt. Üblicher- weise wird das Material nach dem ersten Arbeitsgang abgekühlt und zerkleinert. Ein solches Verfahren bringt aber eine Reihe von Nachteilen mit sich, z. B. hohe Apparatekosten und Bedienungskosten für jeden der beiden Arbeitsgänge. Dazu ergibt sich ein kostspieliger, energieverbrauchender Umweg, wenn die Schmelze abgekühlt, zerkleinert und wieder aufgeschmolzen werden muss. Gelegentlich kann dieser Vorgang zusätzlich zu einer Produktschädigung führen. Unter ungünstigen Bedingungen wird sich ein Zwischenlager zwischen den beiden Arbeitsgängen nicht vermeiden lassen.
Diese Nachteile lassen sich durch das erfindungsgemässe Verfahren vermeiden, in dem Entgasung und Zumischen der Zusatzstoffe in einer einzigen Vorrichtung vorgenommen werden.
Bei der Durchführung des Verfahrens wird einer Schneckenpresse, die entweder als Einfach- oder als Doppelschnecke ausgeführt sein kann, im entgegengesetzt zur Ausstossöffnung liegenden ersten Einzugstutzen kontinuierlich ein dosierter Strom, z. B. von Farbstoffkonzentrat, in fester, feinkörniger Form zugegeben. In den zweiten Einzugstutzen wird der Schneckenpresse gleichfalls kontinuierlich ein geschmolzener, die flüchtigen Anteile enthaltender Kunststoffstrom, gegebenenfalls unter Druck, zudosiert. Unmittelbar vor dem zweiten Einzugstutzen liegt das erste Stauelement. Dieses hat die Aufgabe, das Konzentrat intensiv zu mischen und ein Zurückfliessen des ungefärbten Kunststoffes in den vorderen Teil der Schneckenpresse zu verhindern.
Das Stauelement bewirkt ferner, dass der Strom des geschmolzenen Konzentrates gleichmässig und in Form einer dünnen Schicht in den Misch-Schneckenteil eintritt.
Die Mischung aus dem Farbstoffkonzentrat und der flüchtige Anteile enthaltenden Kunststoffschmelze gelangt über ein zweites Stauelement in eine Entgasungskammer.
Die Entgasungskammer besteht aus einer Öffnung im Zylindergehäuse von bevorzugt runder oder rechteckiger Form mit einem Stutzen. Durch diese Öffnung können die flüchtigen Anteile des Kunststoffes verdampfen und die Schnecke verlassen. Die Wirkung der Entgasung kann durch Vakuum gesteigert werden.
Gegebenenfalls können auch zwei Entgasungskammern verwendet werden. In diesem Falle wird zweckmässig vor der zweiten Entgasungszone ebenfalls ein Stauelement angebracht.
Der Anteil der im Kunststoff enthaltenden flüchtigen Anteile kann sehr unterschiedlich sein. Die untere Grenze liegt bei Spuren von flüchtigen Anteilen, die aus dem Produkt entfernt werden müssen.
Die obere technisch erreichte Grenze liegt bei einem Gehalt von etwa 70 Gew.-'% flüchtiger Anteile.
Das Verfahren ist grundsätzlich zwar auch bei einem höheren Gehalt an flüchtigen Anteilen anwendbar, jedoch sinkt der Durchsatz der Anlage dann erheblich ab.
Eine beispielsweise Ausführung einer Vorrichtung zum homogenen Zumischen und zum Entfernen flüchtiger Stoffe ist in der Zeichnung im Schnitt dargestellt.
In einem Gehäuse --1--, welches einen ersten Einzugstutzen --2--, einen zweiten Einzugstutzen - -3--, eine Entgasungsöffnung --4--, und eine Öffnung zum Zudosieren von Flüssigkeiten --5-- be- sitzt, ist eine Schneckenwelle --6-- angeordnet. Sie wird durch einen Motor --7-- in Drehung versetzt. Die Welle --6-- besitzt einen Einzugsteil für das Farbstoffkonzentrat --8--, ein Stauelement - -9--, einen Einzugsteil für die Kunststoffschmelze mit Mischwirkung --10--, ein zweites Stauelement einen Entgasungsteil--12-- und einen Austragteil --13--.
Das unter Verwendung der beschriebenen Vorrichtung durchzuführende Verfahren wird besonders
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vorteilhaft dann angewendet, wenn die einzufärbenden Kunststoffe bei der Herstellung kontinuierlich als Schmelze anfallen, die die flüchtigen Anteile enthält. Der Vorteil des Verfahrens liegt vor allem darin, dass mehrere Verfahrensschritte, nämlich Abkühlen, Zerkleinern und Vermischen, eventuell sogar wiederholt, eingespart werden. Ausserdem entfällt das mehrmalige Aufschmelzen des Produktes.
Aber auch gegenüber den bisher bekannten Verfahren zum direkten Einfärben der kontinuierlich anfallenden Schmelze hat das Verfahren nach der Erfindung besondere Vorteile. Alle bekannten Verfahren benötigen zwei oder drei voneinander abhängige Maschinen, während das erfindungsgemässe Ver- fahren mit nur einer einzigen Schneckenpresse durchgeführt wird. Diese übernimmt alle Aufgaben, nämlich das Aufschmelzen des Farbstoffkonzentrates, das Mischen dieser Schmelze mit der Schmelze des einzufärbenden Kunststoffes, die Entfernung unerwünschter flüchtiger Verbindungen und die Zufüh- rung von weiteren flüssigen Zusätzen.
Das erfindungsgemässe Verfahren erreicht mit einer Vorrichtung, die in Aufbau und Bedienung einfach ist, die weniger Raum und weniger Energie benötigt und die damit in der Anschaffung und im Betrieb wirtschaftlicher ist als die nach andern bekannten Verfahren arbeitenden Anlagen, mengenmässig die gleiche Leistung bei ausgezeichneter Mischwirkung und Entgasung.
Beispiel l : (Alle Angaben in Gew. -0/0) : Um ein 1, 50/0 flüchtige Anteile enthaltendes Polystyrol unter Entfernen der flüchtigen Anteile elfenbeinfarbig einzufärben, werden folgende Farbstoffkonzentrate hergestellt :
20% Titandioxyd in Polystyrol
0, 5% Cadmiumgelb in Polystyrol 0, 050/0 Eisenoxydrot in Polystyrol
Diese Farbstoffe werden in Form von zylindrischem Granulat mittels kontinuierlich arbeitenden Dosierwaagen in den ersten Einzugstutzen einer Schneckenpresse gemäss der Zeichnung zugegeben. Die Gesamtmenge der Farbstoffkonzentrate beträgt 45 kg/h. Die Schneckenpresse hat einen äusseren Schnekkendurchmesser von 114 mm.
In dem zweiten Einzugsstutzen werden 300 kg/h Polystyrolschmelze mit einem Gehalt an flüchtigen Anteilen von 1, 5 Gew. -0/0 von der Polymerisationsanlage unmittelbar zudosiert. In der Entgasungszone wird ein Druck von 15 Torr aufrecht gehalten. Das aus der Schneckenpresse austretende Produkt wird in Strängen abgezogen und granuliert. Der Pigmentgehalt und die Farbe des Kunststoffes bleiben während der Versuchsdauer konstant. Die flüchtigen Anteile des eingefärbten Kunststoffes liegen unter 0, 15%.
Beispiel 2 : Um ein 30 Gew.-ja flüchtige Anteile enthaltendes, schlagfestes Polystyrol unter Entfernen der flüchtigen Anteile weiss einzufärben, werden folgende Farbkonzentrate hergestellt : 20% Titandioxyd in Polystyrol
2% Ultramarineviolett in Polystyrol
0, 2% Cadmiumrot in Polystyrol
Diese Farbstoffkonzentrate werden in Form von zylindrischem Granulat mittels kontinuierlich arbeitender Dosierwaage in den ersten Einzugstutzen einer Schneckenpresse gemäss der Zeichnung, jedoch mit einer zusätzlichen Entgasungskammer ausgestattet, zugegeben.
Die Gesamtmenge der Farbstoffkonzentrate beträgt 6 kg/h. Die Schneckenpresse hat einen äusseren Schneckendurchmesser von 50 mm. Dem zweiten Einzugsstutzen werden 75 kg/h Polystyrolschmelze mit einem Gehalt an flüchtigen Anteilen von zirka 30% von der Polymerisationsanlage unmittelbar zudosiert. In den beiden Entgasungszonen wird ein Druck von 15 Torr aufrecht erhalten. Das aus der Schneckenpresse austretende Produkt wird in Strängen abgezogen und granuliert. Der Pigmentgehalt und die Farbe des Kunststoffes bleiben während der Versuchsdauer konstant. Die flüchtigen Anteile des Kunststoffes liegen unter 0, 2%.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Mischen von fein zu verteilenden Zusatzstoffen, wie Farbstoffen oder Stabiliiatoren, mit Kunststoffschmelzen durch Vorvermischen einer Teilmenge des pulver-oder granulatför- migen Kunststoffes mit dem fein zu verteilenden Stoff und anschliessendes Aufschmelzen und Homo- genisieren sowie Vermischen dieser Teilmenge mit der im geschmolzenen Zustand eingebrachten Hauptmenge des Kunststoffes vor der Einführung in eine zweite Mischzone und Entgasen dieses Gemisches in mindestens einer Entgasungszone, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemischan- ichliessend in der zweiten Mischzone einer Entgasung unterzogen wird.