Verfahren zum kontinuierlichen Agglomerieren von pulverförmigen thermoplastischen
Kunststoffen in schnellaufenden Mischern und Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Zum Verdichten von lockeren Pulvern aus thermoplastischen Kunststoffen zu rieselfähigen Agglomeraten werden bekanntlich schnellaufende Mischer benutzt, in denen das Pulver mit so hohen Geschwindigkeiten bewegt wird, dass sich die einzelnen Teilchen durch gegenseitiges Stossen erwärmen und zu grösseren Teilchen zusammensintern. Der Mischapparat kann zur Vergrösserung und Beschleunigung des Sintereffektes beheizt und nach Abschluss des Sintervorganges gekühlt werden.
Bei den bisher be kannten Mischern wird der Ablauf des Sintervorganges empirisch bestimmt, so dass trotz Überwachung der Temperatur des Mischgutes das Korngrössenspektrum der erhaltenen Agglomerate sich über einen weiten Bereich ausdehnt und auch von Charge zu Charge das Korngrössenspektrum verschiedene Breiten aufweist, weil der Beginn des eigentlichen als Agglomerieren bezeichneten Sintervorganges nicht genau festgelegt werden kann und somit die Dauer des Agglomeriervorganges verschieden lang ausfällt.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, obige Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren zu finden, nach dem man pulverförmige, thermoplastische Kunststoffe kontinuierlich in schnellaufenden Mischern zu Agglomeraten mit möglichst engem Korngrössenspektrum und somit verbesserter Rieselfähigkeit agglomerieren kann.
Es ist demnach Gegenstand der Erfindung:
I. ein Verfahren zum kontinuierlichen Agglomerieren von pulverförmigen thermoplastischen Kunststoffen in schnellaufenden Maschinen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass als Beginn des Agglomeriervorganges der Zeitpunkt gewählt wird, in welchem die Leistungsaufnahme des Mischermotors nach Durchlaufen eines Minimums einen konstanten Wert annimmt, innerhalb dieser Zone konstanter Lei stungsau±nahme - je nach der gewünschten Korngrösse des Agglomerates - der Agglomeriervorgang abgebrochen wird und das agglomerierte Gut in einen Kühlmischer befördert und anschliessend dem Mischer eine neue Charge des pulverförmigen Kunststoffes zugeführt wird;
sowie
II. eine Steuervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Weiterschaltung der Arbeitsvorgänge mit Hilfe von Instrumenten, welche die konstante Leistungsaufnahme des Mischermotors und damit gekoppelt den Zeitablauf des Agglomeriervorganges messen, durchgeführt wird.
Auf der überraschenden Erkenntnis, dass die Leistungsaufnahme des Mischermotors bei Beginn des Sintervorganges der pulverförmigen thermoplastischen Teilchen konstant wird und erst nach Ablauf dieses Vorganges wieder ansteigt, wird das vorliegende Verfahren aufgebaut. Der Zeitpunkt des Be ginns der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors lässt sich exakt feststellen, um so mehr, als die gegen die Zeit aufgetragene Kurve der Leistungsaufnahme vor dem Übergang in einen konstanten Verlauf ein Minimum aufweist. Der Zeitraum zwischen dem tatsächlichen Beginn und der Registrierung der konstanten Leistungsaufnahme beträgt höchstens 0,5 bis 1 Sekunde, das sind maximal etwa 1 bis 20 /o des erforderlichen Zeitbedarfs für den eigentlichen Sintervorgang.
Eine beispielsweise Ausführungsform des erfin dungsgemässen Verfahrens und der erfindungsgemässen Steuervorrichtung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben, dabei zeigen:
Fig. 1 den Verlauf der Leistungsaufnahme des Mischermotors in Abhängigkeit von der Zeit;
Fig. 2 den Verlauf der Temperatur des Kunststoffpulvers in Abhängigkeit von der Zeit; und
Fig. 3 das Schema einer vollautomatischen Sinteranlage.
Die Fig. 1 zeigt den Verlauf der Kurve der Leistungsaufnahme des Mischermotors in Abhängigkeit von der Zeit. Es ist daraus zu ersehen, dass die Leistungsaufnahme rasch ansteigt, dann auf ein Minimum abfällt und wieder ansteigt bis zu der Zone konstanter Leistungsaufnahme, und anschliessend wieder stark ansteigt.
Parallel mit der Leistungsaufnahme kann der Temperaturverlauf im Kunststoffpulver verfolgt werden. Die Fig. 2 zeigt diesen Temperaturverlauf. Aus dieser Kurve kann man entnehmen, dass die Temperatur während des gesamten Verfahrensablaufes laufend ansteigt und die sogenannte Agglomerier- bzw.
Sinterzone durch einen mehr oder weniger steil verlaufenden Abschnitt innerhalb des allgemeinen Verlaufs der Temperaturkurve gekennzeichnet ist. Durch Messen des Temperaturablaufes lässt sich der Beginn des Agglomerierens nicht so eindeutig festlegen, weil die Temperaturmessung mit einer relativ grossen Trägheit behaftet ist und weil die Wärmeübertragung des umwirbelnden Kunststoffpulvers auf den im Innern des Mischers angebrachten Temperaturfühlern schlecht ist.
Zum Messen der Leistungsaufnahme des Mischermotors verwendet man an sich bekannte Messinstrumente, wie Leistungsmesser, anzeigender oder registrierender Natur; als Steuerungsorgan werden zweckmässig Differentialrelais mit pneumatischem oder elektrischem Ausgangssignal verwendet, die sowohl den Zeitablauf messen und auch bei dem gewünschten Endpunkt innerhalb der Zone der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors Impulse an die entsprechenden Ventile und die Heizbzw. Kühlvorrichtung weitergeben. Innerhalb der als Sinterzone bezeichneten Strecke der Kurve nach Fig. 1, welche die Dauer der konstanten Leistungsaufnahme des Mischermotors darstellt, kann der Agglomeriervorgang abgebrochen werden. Je länger dieser Zeitraum ist, desto grösser ist der Korndurchmesser der erhaltenen Agglomerate.
Man kann somit anhand eines einfachen Vorversuches jeweils festlegen, welche Dauer der Sintervorgang besitzen muss, um Agglomerate eines bestimmten engen Korngrössenspektrums zu erhalten.
Bei dem vorliegenden Verfahren können die bekannten thermoplastischen Kunststoffe, wie z. B.
Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Polystyrol und deren Mischpolymerisate eingesetzt werden.
Als Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens eignen sich besonders solche Mischer, bei denen in dem Agglomerierraum auf der Antriebswelle mindestens zwei gegeneinander wirkende, nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltete Propeller als Strömungserzeuger so angeordnet sind, dass in dem Raum zwischen jeweils zwei Propellern eine Zone stärkster Durchwirbelung erzeugt wird.
Nach dem vorliegenden Verfahren gelingt es auf einfache Weise, den exakten Ablauf des Sintervorganges beim Agglomerieren thermoplastischer Kunststoffe zu steuern, wobei man rieselfähige Agglomerate mit engem Korngrössenspektrum gewinnen kann, die ein erhöhtes Schüttgewicht besitzen und einen gleichmässigeren Fluss und verbesserte Oberflächengüte der verformten Agglomerate ergeben. Ausserdem wird eine erhöhte Ausstossmenge in der Zeiteinheit erzielt und durch die selbsttätige Steuerung des Verfahrensablaufes ein gleichmässigeres Agglomerat erhalten.
In der Fig. 3 ist das Beispiel einer Sinteranlage aufgezeichnet, welche nach dem vorliegenden Verfahren vollautomatisch gesteuert wird.
Die Anlage besteht aus dem eigentlichen Sintermischer M1, in welchem der pulverförmige thermoplastische Kunststoff agglomeriert wird, dem Kühlmischer M2, in welchem das heisse agglomerierte Produkt abgekühlt wird, und dem Aufnahmebunker B, in welchem das fertige Agglomerat gestapelt wird.
Der Mischer M1 wird angetrieben durch den Motor A 1. Die Leistungsaufnahme dieses Motors wird mit Hilfe des Messgerätes L überwacht. Mit Hilfe des Mischermantels H1 kann die Mischapparatur sowohl beheizt als auch gekühlt werden. Die Leitung 1 ist an Heizdampf, die Leitung 2 an Kühlwasser angeschlossen. Die Ventile V1 und V2 sind Absperrventile. Die vom Mantel H1 abführenden Leitungen 3 und 4 stellen die Kondensat- bzw. Kühlwasserablaufleitung mit den Absperrventilen V3 und V4 dar. Über Leitung 5 kann Vakuum an das Innere des Mischers angelegt werden.
V5 stellt das entsprechende Absperrventil und P das zur Überwachung des Vakuums notwendige Manometer dar. Über die Leitung 6 mit dem Absperrventil V6 steht das Mischerinnere mit der Aussenatmosphäre in Verbindung. Durch Leitung 7 mit dem Ventil V7 wird der pulverförmige thermoplastische Kunststoff gegebenenfalls mit Zuschlägen, wie Weichmacher, Farbstoffe, Extender usw., in den Mischer eingeführt. Über den Produktauslassschieber V8 und die Leitung 8 wird das Agglomerat in den Kühlmischer M2 übergeführt. Vor dem Schieber V8 ist eine Druckluftleitung 9 mit Absperrventil V9 angebracht, welche dazu dient, den Schieber V8 nach Entleerung des Mischers M1 freizublasen. In dem Mischer M1 ist ein Temperaturfühler T1 eingebaut.
Der Kühlmischer M2, der von dem Kühlmantel H2, welcher ständig von Kühlwasser durchflossen wird, umgeben ist, wird durch den Motor A2 angetrieben. In dem Mischer M2 ist ein Temperaturfühler T2 eingebaut. Durch die Leitung 11 mit dem Auslassschieber Vl 1 wird das gekühlte Agglomerat zu dem Sammelbunker B geleitet.
Der Sammelbunker B ist mit einer Grenzstand messung St ausgerüstet, die anspricht, wenn das Leervolumen des Bunkers so klein geworden ist, dass er keine Charge aufnehmen kann.
Im folgenden Abschnitt wird das Steuerprogramm für den gesamten Ablauf des Verfahrens beschrieben:
Zu Beginn des Steuerprogramms müssen folgende Voraussetzungen erfüllt sein: Alle Ventile, die ferngesteuert werden, mit Ausnahme von Ventil V6, sind geschlossen; das Kunststoffpulver ist in den Mischer M1 eingewogen, der Mischer M2 läuft und wird gekühlt.
Stufe 1 des Programms
Nach Drücken der Starttaste läuft der Mischer M1 an, gleichzeitig schaltet ein Zeitrelais Z1 ein, das Dampfventil Vl und das Kondensatventil V3 werden geöffnet, und über die Leitung 7 werden die pulverförmigen und/oder flüssigen Zuschlagstoffe in den Mischer gegeben.
Stufe
Nach Ablauf des Zeitrelais Z1 schaltet der Mischermotor auf Schnellgang, gleichzeitig wird das Messinstrument zur Überwachung der Leistungsaufnahme des Mischermotors eingeschaltet, das Entspannungsventil V6 wird geschlossen und das Valcu- umventil V5 geöffnet.
Stufe 3
Das Messinstrument registriert die konstante Leistungsaufnahme des Mischermotors, gleichzeitig wird das Zeitrelais 72 eingeschaltet, das Vakuumventil V5 geschlossen und das Entspannungsventil V6 geöffnet.
Stufe 4
Das Zeitrelais 72 ist abgelaufen (Sintervorgang beendet), das Dampfventil V1 und das Kondensatventil V3 werden geschlossen und das Kühlwasserventil V2 und das Ablaufventil V4 geöffnet, der Antriebsmotor schaltet auf Langsamgang. Der Schieber V8 wird geöffnet und das Zeitrelais 73 eingeschaltet.
Stufe 5
Nach Ablauf des Zeitrelais 73 wird das Druckluftventil V9 geöffnet, das Absperrventil V8 freigeblasen und dann geschlossen. Das Kühlwasserventil V2 wird geschlossen und das Ablaufventil V4 - je nach Kühlmantelinhalt verzögert - ebenfalls geschlossen. Der Antriebsmotor A 1 stoppt.
Stufe 6
Nachdem angezeigt ist, dass das Ventil V4 geschlossen ist, wird das Dampfventil Vl und das Kondensatventil V3 geöffnet und das Zeitrelais 74 einge schaltet.
Stufe 7
Nach Ablauf des Zeitrelais 74 wird das Dampfventil V1 und das Kondensatventil V3 geschlossen.
Der Programmablauf für den Mischer M1, der wieder aufgeheizt ist, ist damit beendet. Der Mischer steht für einen neuen Programmablauf bereit.
In Stufe 5 des Programmablaufes des Mischers M1 ist das heisse Agglomerat in den Kühlmischer gelangt. Wenn das Agglomerat eine Temperatur von 30 C erreicht hat, wird der Auslassschieber Vl 1 ge öffnet und das Zeitrelais Z5 eingeschaltet. Nach Ablauf des Zeitrelais Z5 schliesst der Auslassschieber Viel, und der Kühlmischer M2 steht zur Aufnahme einer neuen Charge bereit.
In das Programm sind noch folgende Verriege- lungen eingebaut:
Falls das Ventil V8 nicht völlig geschlossen ist, erscheint ein Störsignal, und es kann keine neue Charge in dem Mischer M1 gestartet werden.
Wenn der Mischer M2 noch gefüllt ist, so dass kein fertig gesintertes Produkt aus dem Mischer M1 ausgetragen werden kann, bleibt der Mischer M1 auf Stufe 4 Kühlen stehen und wartet ab, bis der Mischer M2 entleert ist. Anschliessend geht der normale Programmablauf weiter.
Wenn der Maximal-Grenzstand des Sammelbunkers B erreicht ist, kann der Mischer M2 nicht in den Bunker B entleeren. Gleichzeitig stoppt der Mischer M1 seinen Programmablauf in Stufe 4 oder - falls der Maximal-Grenzstand erreicht ist, bevor der Mischer M1 eine neue Sinter-Charge gestartet hat lässt sich das Programm nicht einschalten.