Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen homogenen Zumischung fein zu verteilender
Stoffe zu 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 andererseits 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 Entgasungsschneckenmaschine verwendet, die in den meisten Fällen mit Einfachoder 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 Schneckenmaschine 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 o. dgl. zu vermischen.
Gegenstand des Hauptpatentes ist ein Verfahren zur kontinuierlichen homogenen Zumischung fein zu verteilender Stoffe, wie Farbstoffe oder Stabilisatoren, zu Kunststoffschmelzen durch Vorvermischen einer kleineren Teilmenge des gepulverten oder körnigen Kunststoffes mit dem fein zu verteilenden Stoff, Zuführen des Gemisches in kaltem Zustand in eine Schneckenpresse, Aufschmelzen des Gemisches in einer Schmelzzone und Durchmischen der Schmelze in einer an die Schmelzzone anschliessenden Mischzone der Schneckenpresse, Vermischen der so erhaltenen Schmelze in einer zweiten Mischzone mit der in geschmolzenem Zustand eingebrachten Hauptmenge des Kunststoffes und Ausstossen des so erhaltenen Gesamtgemisches aus der Schnecke,
sowie durch Homogenisieren des in der ersten Schmelzzone erhaltenen Gemisches der Teilmenge des Kunststoffes mit dem fein zu verteilenden Stoff vor der Einführung in die zweite Mischzone in einer Stauzone.
Es wurde nun gefunden, dass man aus thermoplastischen Kunststoffen mit flüchtigen Bestandteilen sehr reine Endprodukte erhält und die flüchtigen Bestandteile weitgehend austreibt, wenn man bei dem Verfahren gemäss dem Hauptpatent das Gemisch mindestens in einer an die zweite Mischzone anschliessenden Entgasungszone weitgehend von flüchtigen Bestandteilen befreit.
Der Gehalt der Kunststoffschmelze an flüchtigen Anteilen kann zwischen 0,1 und 70 Gew. O/o, vorzugsweise zwischen 0,2 und 50 Gew. O/o, liegen.
Zweckmässig werden zusätzlich flüssige Stoffe in Produktfliessrichtung hinter der letzten Entgasungszone zur Schmelze zudosiert und in ihr homogen verteilt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, mit einer oder mehreren nebeneinander angeordneten Schneckenwellen und einem Schnekkengehäuse mit einem Einzugsstutzen für die Zugabe der kleineren Teilmenge des Kunststoffes, die gekennzeichnet ist durch jeweils mehrere auf der bzw. den Schneckenwellen in Produktfliessrlchtung vor dem Einzugsstutzen für den geschmolzenen Kunststoff und vor Entgasungskammern der Entgasungszone angeordnete Stauelemente, einen weiteren Einzugsstutzen für die flüchtige Anteile enthaltende geschmolzene Hauptmenge des Kunststoffes, eine oder mehrere Entgasungsöffnungen sowie eine Öffnung zum Zudosieren von Stoffen.
Zwischen der zylindrischen Aussenfläche des Stauelementes und der Wand des Gehäuses entsteht jeweils ein Spalt, der vorzugsweise nicht breiter sein soll als 2 mm. Hierbei sollte der freie Querschnitt in der Stauzone möglichst kleiner sein als in der vorhergehenden Zone.
Um in dem zu fördernden Gut einen hohen Druck zu erreichen, kann in den Stauelementen jeweils auch ein umgekehrt geschnittenes, ad. h. rückwärts förderndes Gewinde vorgesehen werden.
Schliesslich kann in den Stauelementen 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 bekannten Verfahren in zwei getrennten Vorrichtungen und in zwei Arbeitsgängen durchgeführt. Üblicherweise wird das Material nach dem ersten Arbeitsgang abgekühlt und zerkleinert. Ein solches Verfahren bringt 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 bevorzugten Durchführungsart des Verfahrens wird einer Schneckenpresse, die entweder als Einfach- oder als DoSbpelschnecke 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 Einzugsstutzen wird der Schneckenpresse gleichfalls konti nuierlich ein geschmolzener, die flüchtigen Anteile enthaltender Kunststoffstrom, gegebenenfalls unter Druck, zudosiert. Unmittelbar vor dem zweiten Einzugsstutzen 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. Zwischen der zweiten Entgasungskammer und dem Düsenkopf ist durch einen weiteren Stutzen im Gehäuse die Möglichkeit gegeben, bestimmte flüssige Verbindungen, z. B. Viskositätsregler, zuzugeben.
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. O/o 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 dargestellt.
In einem Gehäuse 1, welches einen ersten Einzugsstutzen 2, einen zweiten Einzugsstuzen 3, eine Entgasungsöffnung 4 und eine Öffnung zum Zudosie- ren von Flüssigkeiten 5 besitzt 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 11, einen Entgasungsteil 12 und einen Austragsteil 13.
Das unter Verwendung der beschriebenen Apparatur durchzuführende Verfahren wird besonders 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, evtl. 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 Verfahren 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 Zuführung von weiteren flüssigen Zusätzen.
Das erfindungsgemässe Verfahren erreicht mit einer Apparatur, 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 anderen bekannten Verfahren arbeitenden Anlagen, mengenmässig die gleiche Leistung bei ausgezeichneter Mischwirkung und Entgasung.
Beispiel 1 (Alle Angaben in Gewichts-olo)
Um ein 1,5 8/o flüchtige Anteile enthaltendes Polystyrol unter Entfernen der flüchtigen Anteile elfenbeinfarbig einzufärben, werden folgende Farbstoffkonzentrate hergestellt:
20 O/o Titandioxyd in Polystyrol 0,5 /o Cadmiumgelb in Polystyrol 0,05 /o Eisenoxydrot in Polystyrol
Diese Farbstoffkonzentrate werden in Form von zylindrischem Granulat mittels kontinuierlich arbeitenden Dosierwaagen in den ersten Einzugsstutzen einer Schneckenpresse gemäss der Abbildung zugegeben. Die Gesamtmenge der Farbstoffkonzentrate beträgt 45 kg/h. Die Schneckenpresse hat einen äusseren Schneckendurchmesser von 114 mm.
In dem zweiten Einzugsstutzen werden 300 kg/h Polystyrolschmelze mit einem Gehalt an flüchtigen Anteilen von 1,5 Gew. 8/8 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 O/o.
Beispiel 2
Um ein 30 Gew. O/o flüchtige Anteile enthaltendes, schlagfestes Polystyrol unter Entfernen der flüchtigen Anteile weiss einzufärben, werden folgende Farbkonzentrate hergestellt:
20 O/o Titandioxyd in Polystyrol
2 6/0 Ultramarinviolett in Polystyrol 0,2 O/o Cadmiumrot in Polystyrol
Diese Farbstoffkonzentrate werden in Form von zylindrischem Granulat mittels kontinuierlich arbeitender Dosierwaagen in den ersten Einzugsstutzen einer Schneckenpresse gemäss der Abbildung, 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 ca.
30 /o von der Polymerisationsanlage unmittelbar zudosiert. In den beiden Entgasungszonen 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 Kunststoffes liegen unter 0,2 6/0.
Process and device for the continuous homogeneous admixture of finely distributed
Substances to plastic melts
In the production of thermoplastic polymer plastics, these are often obtained with a content of volatile compounds that is too high for processing and must be removed from the plastics. Such volatile compounds may consist of residual monomers if, for. B. the reaction has not expired until the quantitative conversion. On the other hand, organic or inorganic solvents can also be contained in the end product. This is e.g. B. the case with the solution polymers. Finally, it may be necessary to remove volatile compounds that influence the polymerization, such as regulators or catalysts, before processing.
There are a number of known discontinuous and continuous processes for removing such volatile constituents which are based on the action of heat and / or reduced pressure.
In a continuous process, a vent screw machine is often used to remove the volatile components from plastics, which in most cases is equipped with a single or double screw. In such a machine, the solid product containing volatile components is melted or, if the plastic is in the form of a melt, this melt containing volatile components is continuously introduced into the machine. When passing through the screw machine, the melt is degassed in one or more degassing chambers, if necessary under vacuum. The degassed melt leaves the nozzle head and is either hot or comminuted after cooling.
In addition, it is often necessary to mix the plastics freed from volatile components with additives, such as dyes, plasticizers, stabilizers or the like.
The main patent relates to a process for the continuous homogeneous admixture of finely distributed substances, such as dyes or stabilizers, to plastic melts by premixing a smaller portion of the powdered or granular plastic with the material to be finely distributed, feeding the mixture in a cold state into a screw press, melting it the mixture in a melting zone and mixing of the melt in a mixing zone of the screw press adjoining the melting zone, mixing of the melt thus obtained in a second mixing zone with the bulk of the plastic introduced in the molten state and ejection of the total mixture thus obtained from the screw,
as well as by homogenizing the mixture obtained in the first melting zone of the partial amount of the plastic with the substance to be finely distributed before introduction into the second mixing zone in a damming zone.
It has now been found that very pure end products are obtained from thermoplastics with volatile constituents and the volatile constituents are largely expelled if, in the process according to the main patent, the mixture is largely freed of volatile constituents in at least one degassing zone adjoining the second mixing zone.
The volatile content of the plastic melt can be between 0.1 and 70% by weight, preferably between 0.2 and 50% by weight.
In addition, liquid substances are expediently added to the melt in the product flow direction behind the last degassing zone and distributed homogeneously in it.
The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, with one or more screw shafts arranged next to one another and a screw housing with a feed nozzle for the addition of the smaller part of the plastic, which is characterized by several on the screw shaft (s) in product flow direction the intake port for the molten plastic and damming elements arranged in front of the degassing chambers of the degassing zone, a further intake port for the molten main amount of plastic containing volatile components, one or more degassing openings and an opening for metering in substances.
A gap, which should preferably not be wider than 2 mm, is created between the cylindrical outer surface of the damming element and the wall of the housing. The free cross-section in the stagnation zone should be as small as possible than in the preceding zone.
In order to achieve a high pressure in the goods to be conveyed, a reverse cut, ad. H. backward conveying thread are provided.
Finally, a forward conveying thread can be provided in each of the damming elements.
It is crucial that a jam occurs in the conveyed material due to a changed gradient or a changed core diameter.
Degassing and coloring of plastic compounds containing volatile components are carried out according to known methods in two separate devices and in two operations. Usually the material is cooled and crushed after the first step. Such a method has a number of disadvantages, e.g. B. high equipment costs and operating costs for each of the two operations. There is also a costly, energy-consuming detour if the melt has to be cooled, crushed and melted again. Occasionally, this process can also lead to product damage. Under unfavorable conditions, an interim storage facility between the two operations cannot be avoided.
These disadvantages can be avoided by the method according to the invention, in which degassing and admixing of the additives are carried out in a single device.
In the preferred way of carrying out the process, a screw press, which can be designed either as a single screw or as a Dosbpel screw, is continuously fed with a metered flow in the first intake port opposite to the discharge opening. z. B. of dye concentrate, added in solid, fine-grained form. A molten plastic stream containing the volatile components is also continuously metered into the screw press into the second intake port, if necessary under pressure. The first damming element is located directly in front of the second intake connection.
This has the task of mixing the concentrate intensively and preventing the uncolored plastic from flowing back into the front part of the screw press.
The damming element also ensures that the stream of molten concentrate enters the mixing screw part uniformly and in the form of a thin layer.
The mixture of the dye concentrate and the plastic melt containing volatile components reaches a degassing chamber via a second damming element.
The degassing chamber consists of an opening in the cylinder housing, preferably of a round or rectangular shape, with a connecting piece. The volatile components of the plastic can evaporate through this opening and leave the screw. The effect of the degassing can be increased by using a vacuum.
If necessary, two degassing chambers can also be used. In this case, a damming element is also expediently attached in front of the second degassing zone. Between the second degassing chamber and the nozzle head, there is a further nozzle in the housing that allows certain liquid compounds, e.g. B. viscosity regulator to add.
The proportion of volatile components contained in the plastic can vary widely. The lower limit is traces of volatile components that have to be removed from the product. The upper limit technically reached is a content of about 70% by weight of volatile components. In principle, the process can also be used with a higher content of volatile components, but the throughput of the system then drops considerably.
An example of an embodiment of a device for homogeneous admixing and removal of volatile substances is shown in the drawing.
A screw shaft 6 is arranged in a housing 1, which has a first intake connector 2, a second intake connector 3, a degassing opening 4 and an opening for metering in liquids 5. It is set in rotation by a motor 7. The shaft 6 has a feed part for the dye concentrate 8, a damming element 9, a feed part for the plastic melt 11, a degassing part 12 and a discharge part 13.
The process to be carried out using the apparatus described is particularly advantageously used when the plastics to be colored are continuously produced as a melt which contains the volatile components.
The main advantage of the process is that several process steps, namely cooling, crushing and mixing, possibly even repeated, can be saved. In addition, the product does not have to be melted repeatedly.
However, the process according to the invention also has particular advantages compared to the previously known processes for direct coloring of the continuously accumulating melt. All known methods require two or three machines that are dependent on one another, while the method according to the invention is carried out with only a single screw press. This takes over all tasks, namely the melting of the dye concentrate, the mixing of this melt with the melt of the plastic to be colored, the removal of unwanted volatile compounds and the addition of further liquid additives.
The method according to the invention achieves the same quantitative performance with an excellent mixing effect with an apparatus which is simple in construction and operation, which requires less space and less energy and which is thus more economical to purchase and operate than the systems operating according to other known methods and degassing.
Example 1 (all data in weight olo)
In order to color a polystyrene containing 1.5 8 / o volatile components ivory while removing the volatile components, the following dye concentrates are produced:
20 o / o titanium dioxide in polystyrene 0.5 / o cadmium yellow in polystyrene 0.05 / o iron oxide red in polystyrene
These dye concentrates are added in the form of cylindrical granules by means of continuously operating metering scales into the first intake port of a screw press as shown in the figure. The total amount of the dye concentrates is 45 kg / h. The screw press has an outer screw diameter of 114 mm.
300 kg / h of polystyrene melt with a volatile content of 1.5% by weight 8/8 are metered in directly from the polymerization system into the second intake pipe. A pressure of 15 torr is maintained in the degassing zone. The product emerging from the screw press is drawn off in strands and granulated. The pigment content and the color of the plastic remain constant during the test period. The volatile fractions of the colored plastic are below 0.15%.
Example 2
In order to color an impact-resistant polystyrene containing 30% by weight of volatile components white while removing the volatile components, the following color concentrates are produced:
20% titanium dioxide in polystyrene
2 6/0 ultramarine violet in polystyrene 0.2 O / o cadmium red in polystyrene
These dye concentrates are added in the form of cylindrical granules by means of continuously working metering scales into the first intake port of a screw press according to the figure, but equipped with an additional degassing chamber.
The total amount of the dye concentrates is 6 kg / h. The screw press has an outer screw diameter of 50 mm. 75 kg / h of polystyrene melt with a volatile content of approx.
30 / o metered in directly from the polymerization system. A pressure of 15 torr is maintained in the two degassing zones. The product emerging from the screw press is drawn off in strands and granulated. The pigment content and the color of the plastic remain constant during the test period. The volatile components of the plastic are below 0.2 6/0.