AT408860B - Verfahren zum durchmischen eines schmelzenstromes aus kunststoff - Google Patents

Description

   <Desc/Clms Page number 1> 
 



   Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Durchmischen eines Schmelzenstromes aus Kunststoff, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), wobei der Schmelzenstrom in Teilströme aufgeteilt und die Teilströme dann wieder zu einem gemeinsamen Schmelzenstrom vereint werden, sowie auf einen Mischer zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem in einen Strömungskanal einbindbaren Mischkörper. 



   Um bei Extrusionsprozessen die Homogenität der entstehenden Schmelze zu erhöhen und damit die Qualität des extrudierten Produktes zu verbessern, ist es bekannt, die Schmelze auf ihrem Weg zwischen Extruder und Extrusiondüse zu durchmischen, wobei meist statische Mischer (US 4 848 920 A), also Mischer mit stehenden Mischeinrichtungen, deren Mischeffekt lediglich infolge des Schmelzendurchströmens auftritt, Verwendung finden. Sind die Kunststoffschmelzen bei Verarbeitungstemperatur im Extrusions- oder Spritzgussprozess thermisch ausreichend stabil, können übliche Mischverfahren eingesetzt werden, bei denen Einzelmengen der Schmelzen deutlich länger im Mischer verbleiben als die durchschnittliche Schmelzenverweilzeit, ohne dadurch geschädigt zu werden.

   Einige Kunststoffschmelzen, insbesondere auch PVC-Schmelzen, sind allerdings sehr temperaturempfindlich, so dass es bei unterschiedlichen Verweilzeiten von Schmelzenteilen während des Mischvorganges zu Schädigungen kommt. Da fast alle bekannten Mischer Zonen aufweisen, die eine lange Verweilzeit für Einzelmengen verursachen, beispielsweise quer zur Hauptströmungsrichtung verlaufende Kanten des Mischers, ist zu befürchten, dass sich der Kunststoff in diesen Zonen festsetzt, wodurch bereits nach kurzer Zeit eine thermische Schädigung der heiklen Schmelze eintritt. 



   Aus der DE 195 93 48 A ist es bekannt, den aus einem Extruder kommenden Hauptstrang einer Kunststoffschmelze in Einzelströme aufzuteilen, die Einzelströme gegeneinander zu überkreuzen und anschliessend wieder zu einem gemeinsamen Schmelzenstrom zu vereinen. Dies ergibt zwar einen radialen Mischeffekt, hat aber den Nachteil, dass eine grosse Anzahl von Kanälen mit relativ kleinen Einzelquerschnitten vorliegt. Da sich radial nach innen und nach aussen führende Kanäle räumlich nicht überschneiden dürfen, ergeben sich sehr kleine Einzelquerschnitte für die Kanäle und somit ein erheblicher Strömungswiderstand des Mischers für den Schmelzenstrom. 



  Ausserdem muss der Mischer aus Fertigkeitsgründen bei einer Vielzahl kleiner Kanäle erheblich grösser dimensioniert werden. 



   Gemäss der DE 24 61 349 A wird der Hauptstrang für eine Doppelextrusion in zwei Einzelstrange aufgeteilt, wobei diesen Einzelsträngen je eine Wendeeinrichtung zugeordnet ist, welche eine Drehung der strömenden Schmelze um die eigene Achse bewirkt. Da die Einzelstränge nicht mehr zusammengeführt werden, fehlt jedoch eine wesentliche Mischwirkung. Infolge der laminaren Strömung, welche bei der Kunststoffextrusion unter üblichen Bedingungen immer vorliegt, findet nämlich keine Umorientierung der Stromfäden zueinander statt. Ein vorliegendes Temperaturfeld in der Schmelze wird sozusagen als Ganzes gedreht. 



   PVC wird zur Profilherstellung überwiegend im Extrusionsprozess mit Doppelschnecken-Extrudern verarbeitet, wobei sich eine durchschnittliche Massetemperatur von etwa 190-200 C einstellt, welche Massetemperatur unter üblichen Betriebsbedingungen örtliche Temperaturunterschiede von etwa 20 C über den Strömungsquerschnitt aufweist. Da die PVC-Schmelze im Verarbeitungsbereich der Extrusionsdüsen laminar strömt, ist ein Temperaturausgleich nur über die innere Wärmeleitung möglich, wofür aber keine ausreichende Zeit zur Verfügung steht, so dass die Düsen von einer PVC-Schmelze durchströmt werden, bei der erhebliche örtliche Temperaturunterschiede auftreten.

   Die Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze im Düsenbereich hängt nun weiters von der Geometrie des Strömungskanals, dem Massedruck und den rheologischen Eigenschaften der Schmelze ab, welche rheologischen Eigenschaften wesentlich von der Temperatur bestimmt werden, was dazu führt, dass Wanddicken des extrudierten Profils deutliche Unterschiede aufweisen, auch wenn aufgrund der örtlichen Geometrie des Strömungskanals für eine gleiche Wanddicke gesorgt wäre. Die Ursache hiefür ist in der örtlichen Massetemperatur zu suchen, denn bei höherer Massetemperatur ergibt sich eine höhere Strömungsgeschwindigkeit und damit eine stärkere Wanddicke des Profils trotz gleicher Geometrie (Spaltweite) des Strömungskanals als bei niedrigerer Massetemperatur.

   Da Profile für Fenster od. dgl. enge Toleranzen erfordern, ist demnach bisher ein erheblicher Aufwand erforderlich, um die durch Temperaturunterschiede bedingten Wanddickenabweichungen durch Verändern der Spaltweiten in den Extrusionsdüsen auszugleichen Erschwerend kommt hinzu, dass ein und dieselbe Extrusionsdüse auf unterschiedlichen 

 <Desc/Clms Page number 2> 

 Extrudern unterschiedliche Wanddicken ergibt und daher stets eine Anpassung der Düsen an den gerade verwendeten Extruder erforderlich ist. Ein Einsatz des gleichen Extrusionswerkzeuges bei unterschiedlichen Extrudern ist somit bisher zwangsweise mit Qualitätseinbussen verbunden. 



   Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art anzugeben, das eine ausreichende und vor allem schädigungsfreie Durchmischung auch temperaturempfindlicher Kunststoffschmelzen erlaubt und die aus dem Extruder kommenden Schmelzenströme hinsichtlich der vorhandenen Temperaturunterschiede bei möglichst geringem Strömungswiderstand ausgleicht, so dass der Extrusionsdüse eine homogene Schmelze bereitgestellt werden kann. 



   Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass die Teilströme vor ihrer Vereinigung jeweils unabhängig voneinander in an sich bekannter Weise um in ihrer Strömungsrichtung verlaufende Achsen verdreht werden. Durch das Aufteilen des Schmelzenstromes in einzelne Teilströme, die in sich gedreht und dann wieder zusammengeführt werden, kommen nach dem Durchmischen stets Schmelzenbereiche miteinander in Kontakt, die vor dem Mischen voneinander beabstandet waren, und über den nunmehr engen Kontakt und die kurzen Entfernungen können sich vorhandene Temperaturunterschiede vergleichsweise schnell ausgleichen.

   Dabei werden Stagnationszonen vermieden und es ergibt sich eine Mischwirkung vor allem in radialer Richtung, wodurch keine Gefahr einer Schädigung auch thermisch instabiler Schmelzen durch längere Verweilzeiten von Einzelmengen besteht und für die Extrusion ein weitgehend gleich temperierter, homogener Schmelzenstrom aufbereitet wird. 



   Damit ist die Voraussetzung gegeben, Wanddickenabweichungen bei neuen Extrusionsdüsen wesentlich zu reduzieren und den Abstimmungsaufwand für die Düsen deutlich zu verringern, sowie die Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen Extrudern herabzusetzen und in der Praxis häufig sogar vernachlässigbar zu machen, wodurch die Düsen auch auf unterschiedlichen Extrusionslinien eingesetzt werden können, was die Logistik vereinfacht und die Auslastungsmöglichkeiten der Extrusionslinien zu optimieren erlaubt. Darüber hinaus soll ein Mischer geschaffen werden, der eine einfache und zweckmässige Durchführung des Verfahrens ermöglicht. 



   Besonders gute Mischeffekte sind erzielbar, wenn die Teilströme um einen Drehwinkel a verdreht werden, der zwischen ca. 90  und 180 C liegt, wobei die Drehrichtung gleich- oder abwechselnd gegensinnig sein kann, und wenn der Schmelzenstrom in vier bis zwölf Teilströme aufgeteilt wird. Durch die gewählte Anzahl der Teilströme gibt es ausreichende Kontaktbereiche, und die räumlichen Änderungen der Schmelzenteile erfolgen über entsprechend weite Entfernungen. 



  Ausserdem bleiben die Teilquerschnitte gross genug, um den Druckbedarf beim Durchströmen gering zu halten, so dass es auch möglich ist, das Durchmischen in zwei oder mehreren Schritten hintereinander vorzunehmen. Selbstverständlich lässt sich dieses Mischverfahren auch mit anderen bekannten Verfahren kombinieren, um beispielsweise den wiedervereinigten Schmelzenstrom über den Strömungsquerschnitt zu vergleichmässigen und die Spuren der Teilströme zu verwischen, wozu vor allem ein Mischeffekt in Umfangsrichtung wichtig ist. 



   Zum Durchführen des Mischverfahrens wird ein Mischer mit einem in einen Strömungskanal einbindbaren Mischkörper der sich von einem Einlass zu einem Auslass erstreckende Mischkanäle aufweist, vorgeschlagen, wobei die Mischkanäle in an sich bekannter Weise mit jeweils eine Dralleinrichtung versehen sind. Dieser Mischer erlaubt durch seine Mischkanäle die einwandfreie Aufteilung des Schmelzenstromes in entsprechend viele Teilströme und die Dralleinrichtung der Mischkanäle sorgt für die gewünschte Verdrehung der Teilströme innerhalb der Mischkanäle, wodurch Schmelzenteilchen aus dem Mittenbereich nach aussen gefördert werden und aussenliegende Teilchen in umgekehrter Richtung in den Mittenbereich, so dass der gewünschte radiale Mischeffekt entsteht. 



   Besitzen die Mischkanäle im wesentlichen runde Querschnitte und weisen als Dralleinrichtung wenigstens eine entlang einer Schraubenlinie an der Mantelfläche verlaufende Nut und/oder Rippe auf, kommt es beim Durchströmen der Mischkanäle zu einer Verschraubung der Teilströme und damit zur angestrebten Mischwirkung. 



   Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn die Mischkanäle im wesentlichen polygonale, sich in Kanallängsrichtung verdrehende Querschnitte als Dralleinrichtung aufweisen, so dass der Verlauf und die Querschnittform der Mischkanäle selbst für die Verdrehung der Teilströme sorgen. Dabei spielt es an sich nur eine untergeordnete Rolle, welche Querschnittsformen für die Mischkanäle 

 <Desc/Clms Page number 3> 

 vorgesehen sind, aus Herstellungsgründen empfiehlt sich jedoch ein dreieckiger Querschnitt, der sich gut in den Rund- oder auch Polygonalquerschnitt des Ein- und Auslasses einordnen lässt. 



  Selbstverständlich könnten als Ausgangsquerschnitte aber auch andere Querschnittsformen, wie quadratische, fünf- oder sechseckige Querschnitte od. dgl. vorgesehen sein. 



   Zweckmässigerweise sind Einlass und Auslass durch Radialwände in mehrere Ein- und Auslass- öffnungen unterteilt, welche einander paarweise zugeordneten Ein- und Auslassöffnungen durch die Mischkanäle miteinander verbunden sind. So werden die Ein- und Auslassöffnungen nur durch Einoder Austrittskanten begrenzt und liegen eng nebeneinander, so dass die Aufteilung bzw. die Vereinheitlichung des Schmelzen stromes im Ein- und Auslassbereich ohne Stau- oder Stagnationszonen erfolgen können. 



   Besteht die Innenmantelfläche der Mischkanäle aus geraden Erzeugenden, die schräg zur geraden Kanalachse verlaufen und die Ein- bzw. Auslasskonturen der zugehörenden Ein- und Auslass- öffnungen verbinden, entsteht ein Mischer, der sich rationell mit Hilfe des Drahterodierens herstellen lässt. 



   Die Mischkanäle mit den im wesentlichen polygonalen, sich in Kanallängsrichtung verdrehenden Querschnitten sind ohne grösseren Druckbedarf von den Teilströmen durchströmbar, so dass zur Erhöhung der Mischwirkung auch zwei oder mehrere gegeneinander um die Durchströmrichtung winkelversetzte Mischkörper hintereinandergereiht werden können, wobei Versuche mit vier hintereinandergereihten Mischkörpern sehr gut Mischergebnisse gezeigt haben. Der Winkelversatz der Mischkörper gewährleistet dabei eine entsprechende Verstärkung der Mischwirkung und verhindert eine blosse Vergrösserung des Verdrehwinkels der Teilströme. 



   Ein solcher Mischer lässt sich auch bestens mit herkömmlichen Mischern kombinieren, um beispielsweise durch ein Mischen in Umfangsrichtung die Vereinigung der Teilströme zum Schmelzenstrom zu vergleichmässigen. 



   In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand rein schematisch veranschaulicht, und zwar zeigen
Fig. 1 eine Extrusionsanlage mit erfindungsgemässen Mischern in teilgeschnittener Sei- tenansicht,
Fig. 2 und 3 einen erfindungsgemässen Mischer in Stirnansicht bzw. im Axialschnitt nach der
Linie   111-111   der Fig. 2 sowie
Fig. 4 einen Mischkanal eines Mischers in Form eines Drahtmodells im Schaubild
Eine nur teilweise veranschaulichte Extrusionsanlage 1 zur Herstellung von Profilen P aus Polyvinylchlorid (PVC) umfasst einen Extruder 2 und eine Extrusionsdüse 3, wobei zwischen Extrusionsdüse 3 und einem an den Extruder 2 angeschlossenen Adapter 4 eine Mischvorrichtung 5 zum Durchmischen des Schmelzstromes S aus PVC angeordnet ist.

   Die Mischvorrichtung 5 weist ein über eine Heizeinrichtung 6 beheizbares Gehäuse 7 auf, in dem unter Zwischenlage von Distanzringen 8 vier Mischer 9 hintereinandergereiht sind, die sich über ein Einlassstück 10 und ein Auslassstück 11 in den Strömungskanal 12 für den Schmelzenstrom S einbinden lassen. 



   Die Mischer 9 bestehen jeweils aus einem scheibenförmigen Mischkörper 13, der sich von einem Einlass 14 zu einem Auslass 15 axial erstreckende Mischkanäle 16 mit einem im wesentlichen dreieckigen, sich in Richtung der Kanalachse A verdrehenden Querschnitt als Dralleinrichtung bildet. Einlass 14 und Auslass 15 sind durch Radialwände 17 in mehrere Ein- und Auslassöffnungen 18,19 unterteilt, die jeweils paarweise durch die Mischkanäle 16 miteinander in Verbindung stehen. Die Innenmantelfläche 20 der Mischkanäle 16 ergibt sich aus geraden Erzeugenden E, die schräg zur geraden Kanalachse A verlaufen und die Ein- bzw. Auslasskonturen 21,22 der zugehörenden Ein- und Auslassöffnungen 18, 19 verbinden. 



   Durch die Mischer 9 wird der Schmelzenstrom S jeweils in sechs Teilströme T aufgeteilt, welche Teilströme T aufgrund der sich in Achsrichtung verdrehenden Mischkanalquerschnitte selbst verdrehen und dann wieder zu einem gemeinsamen Schmelzenstrom S vereint werden. Dadurch ergibt sich ein radialer Mischeffekt ohne Stagnationszonen, der zu einer Homogenisierung des Schmelzenstromes führt und die örtlichen Unterschiede der Massetemperatur weitgehend ausgleicht, so dass der Extrusionsdüse 3 eine weitgehend gleichtemperierte Schmelze bereitgestellt wird

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Durchmischen eines Schmelzenstromes aus Kunststoff, insbesondere Polyvinylchlorid (PVC), wobei der Schmelzenstrom in Teilströme aufgeteilt und die Teil- ströme dann wieder zu einem gemeinsamen Schmelzenstrom vereint werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme vor ihrer Vereinigung jeweils unabhängig voneinander in an sich bekannter Weise um in ihrer Strömungsrichtung verlaufende Achsen verdreht werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilströme um einen Dreh- winkel a verdreht werden, der zwischen ca. 90 und 180 liegt.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzenstrom in vier bis zwölf Teilströme aufgeteilt wird.
4. 4. Mischer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem in einen Strömungskanal einbindbaren Mischkörper der sich von einem Einlass zu einem Aus- lass erstreckende Mischkanäle aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkanäle (16) in an sich bekannter Weise mit jeweils einer Dralleinrichtung versehen sind.
5. 5. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkanäle im wesentlichen runde Querschnitte besitzen und als Dralleinrichtung wenigstens eine entlang einer Schraubenlinie an der Mantelfläche verlaufende Nut und/oder Rippe aufweisen.
6. 6. Mischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkanäle (16) im wesentli- chen polygonale, sich in Kanallängsrichtung verdrehende Querschnitte als Dralleinrichtung aufweisen.
7. 7. Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Einlass (14) und Auslass (15) durch Radialwände (17) in mehrere Ein- und Auslassöffnungen (18,19) unterteilt sind, wel- che einander paarweise zugeordneten Ein- und Auslassöffnungen (18,19) durch die Misch- kanäle (16) miteinander verbunden sind.
8. 8. Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (20) der Mischkanäle (16) aus geraden Erzeugenden (E) besteht, die schräg zur geraden Kanal- achse (A) verlaufen und die Ein- bzw. Auslasskonturen (21,22) der zugehörenden Ein- und Auslassöffnungen (18,19) verbinden.
9. 9. Mischer nach einen der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei gegeneinander um die Durchströmrichtung winkelversetzte Mischkörper hintereinanderge- reiht sind.

   HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN