Verfahren und Vorrichtung zum Mischen, Versalben und Homogenisieren von pastösen und fliessfähigen Massen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen, Versalben und Homogenisieren von pastösen und fliessfähigen Massen, die in dünner Schicht einer Mischungsbehandlung unter Einwirkung von Scherkräften unterzogen werden.
Die bisherige Behandlung derartiger Massen im Sinne obiger Zielsetzung erfolgt in der Regel diskontinuierlich, d. h. chargenweise in Behältern mit irgendwelchen, in der Regel notwendigerweise stark dimensionierten Rühr- oder Mischwerkzeugen, die drehbar in derartigen Behältern angeordnet sind.
Neben dem Nachteil der Diskontinuität erfordert eine solche Behandlung relativ lange Bearbeitungszeiten, um sicherzustellen, dass wenigstens einigermassen der gewünschte Bearbeitungseffekt erreicht wird und dass alle Masseteilchen früher oder später einmal von den Misch- oder Rührwerkzeugen erfasst werden, was aber letztlich nicht mit hundertprozentiger Sicherheit gewährleistet ist. Dies hat seinen Grund darin, dass jeweils der Behälter mit der ganzen zu behandelnden Masse beschickt wird, wobei jedoch dann während der Bearbeitung immer nur Teilchen umgeschichtet werden, die sich unmittelbar im Wirkbereich der rotierenden Elemente befinden. Folge davon ist, dass Umschichtung und Mischung der Einzelteilchen in der Gesamtmasse nur langsam vor sich gehen.
Wird beispielsweise für eine bestimmte Masse noch während der Bearbeitung zusätzlich eine Belüftung gefordert, so ist dies an derartigen diskontinuierlich arbeitenden Vorrichtungen meist nur mit einem relativ grossen apparativen Aufwand möglich.
Nach der österreichischen Patentschrift Nr. 21 701 ist eine Vorrichtung zum Mischen von viskosen Massen bildenden Stoffen bekannt, die zwar ein kontinuierliches Mischen erlaubt, bei der aber das zu mischende Gut durch den Spalt zweier sich relativ zueinander bewegter Flächen, diesen voll ausfüllend, hindurchgeführt wird, d. h., die Masse fliesst als relativ kompakter Strom durch den Spalt, so dass beispielsweise eine Belüftung der Massen, die allerdings bei den dabei speziell zu behandelnden Stoffen nicht erforderlich sein mag, nicht möglich ist.
Die Ausbildung von Ruhezonen in der Masse. in denen Umlschichtunlgen stattfinden können und ebenso ein Anstauen der Masse vor den Mischelemcnten, die lediglich als Flächenuneben- heiten vorgesehen sind, ist ebenfalls nicht möglich.
Nach der österreichischen Patentschrift Nr. 239 204 ist es bekannt, Misch- und Homogenisierungswerkzeuge dadurch wirksam werden zu lassen, dass eine dauernde Kavitation in der Flüssigkeit eintritt. Dies kann zwar kontinuierlich geschehen, aber es setzt eine kompakte Masse bzw. im speziellen Fall einen relativ dicken Flüssigkeitsring voraus, in den die Mischwerkzeuge voll eintauchen müssen, wobei auch hier wieder, wie bei den diskontinuierlichen Mischungsbehandlungen ohne weiteres der Fall eintreten kann, dass gewisse Massebzw. Flüssigkeitsteilchen gar nicht erfasst werden.
Der Erfindung liegt demgemäss die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, mit dem bzw. mit der die genannten Nachteile beseitigt werden, d. h. mit dem der ganze Bearbeitungsvorgang kontinuierlich durchgeführt werden kann, wobei jedoch gewährleistet ist, dass die Masseteilchen freifliessend unter Ausbildung von Ruhezonen immer wieder kurzzeitig von den Misch- und Homogenisierwerkzeugen erfasst werden.
Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren der genannten Art gelöst, das nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, dass die zu behandelnde Masse als Film innen auf eine zylindrische Bearbeitungsfläche ausgebreitet und auf dieser an mehreren übereinander oder hintereinander angeordneten, relativ zur Bearbeitungsfläche schnellaufenden Misch- und Homogenisierwerkzeugen vorbeigeführt und nach Passage des letzten Misch- und Homogenisierwerkzeuges von der Arbeitsfläche abgeführt wird, wobei die wirksamen Flächen der Misch- und Homogenisierwerkzeuge in geringerer Distanz als die Filmdicke oder in Direktkontakt mit der zylindrischen Bearbeitungsfläche gehalten werden.
Eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht aus einem Gehäuse mit zylindrischer Bearbeitungsfläche, der relativ drehbar Massebearbeitungselemente zugeordnet sind und ist nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass in der mittigen Längsachse des oben und unten offenen Gehäuses eine Welle angeordnet ist, die mit über- oder hintereinander angeordneten Misch- und Homogenisierwerkzeugen, wie Scheiben, Mischarmen, Rollenträger oder dergleichen versehen ist.
Mit diesem Verfahren und mit dieser Vorrichtung wird die gesamte zu behandelnde Masse in Form eines Films an die Bearbeitungselemente herangebracht, an denen der Film unter ständigem Einfluss der naturgegebenen Schwerkraft nach unten vorbeiläuft, wobei jedoch die Teilchen des Filmes, sowie sie in den Bereich der Misch- und Homogenisierwerkzeuge gelangen, einerseits einen gewissen Stau erhalten und anderseits Scherkräften unterworfen werden, die sich durch die sich schnell relativ zur Masse bewegenden Werkzeuge ergeben. Der ganze Vorgang kann also nach seiner Eigenart als eine Dünnschichtmischung bzw. -homogenisierung bezeichnet werden.
Neben den auftretenden Scherkräften treten mit Rücksicht auf die oben beschriebene vorzugsweise Ausbildung der Vorrichtung auch noch Znetrifugalbeschleunigungen an den mit den schnell relativ zur Bearbeitungsfläche rotierenden Werkzeugen in Berührung kommenden Masseteilchen auf, was für eine Mischung und Homogenisierung ebenfalls vorteilhaft ist, da hierdurch Umschichtungen der Masseteilchen in der dünnen Schicht gefördert werden.
Neben dem Vorteil der Kontinuität hat die Behandlung der Masse in Form eines Filmes vor allem auch den Vorteil, dass die Mischung bzw. Homogenisierung intensiv unter Erfassung aller Teilchen und schnell vor sich geht, weil diese Teilchen gewissermassen in einer Zwangsführung ständig an die Bearbeitungswerkzeuge herangefiihrt werden und somit dauernd zwangläufig deren Wirkung ausgesetzt sind und auf keinen Fall der Bearbeitungseinwirkung ausweichen können, wie das bei bekannten Vorrichtungen nachteilig der Fall sein kann. Abgesehen von den vorgesehenen kurzen Ruhezonen zwischen den Bearbeitungswerkzeugen wird also das Material ununterbrochen bearbeitet.
Vorteilhaft ergibt sich dabei, falls erforderlich, auch gleichzeitig die Möglichkeit einer Belüftung des Materials, indem Luft oder ein anderes geeignetes Gas durch die Vorrichtung gedrückt oder gesaugt wird, wobei natürlich Aufgabemenge, Spaltbreite, Gaszufuhr und Regel benenfalls Gestaltung der Eintauchelemente aufeinander abgestimmt sein müssen, um einen Gasdurchtritt durch die Vorrichtung zu ermöglichen.
Gleiches gilt auch für die eventuelle Anlegung eines Vakuums zur Entlüftung der Masse, beispielweise in der unteren Hälfte der Vorrichtung, was möglich ist, wenn das Eintauchen der für diesen Fall vorgesehenen Eintauchscheiben in den Massefilm im oberen Bereich der Vorrichtung als Gasverschluss ausgenutzt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung zu seiner Durchführung besteht darin, dass auf Grund der Mlasseverteilunlg in Form eines Films die Temperaturbeeinflussung der Masse leicht während der Bearbeitung nahezu trägheitslos erfolgen kann, d. h., es ist beispielsweise möglich, durch entsprechende Aufteilung der Kammer zur Führung von wärmezu- oder abführenden Medien längs der Bearbeitungsstrecke Zonen mit Wärmezufuhr und Zonen mit Wärmeabfuhr auszubilden. Zu diesem Zweck wird das Vorrichtungsgehäuse als Doppelmantel mit voneinander getrennten Kanälen und jeweils separaten Anschlüssen zu den Einzelkanälen für die wärmezuoder abführenden Medien ausgebildet.
Weitere Einzelheiten werden nachfolgend an Hand der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
In dieser Darstellung zeigt schematisch:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemässe Vorrichtung,
Fig. 2 das Eintauchen der Misch- und Homogenisierungswerkzeuge in den Massefilm,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung und
Fig. 5 bis 8 besondere Ausführungsformen der Misch- und Homogenisierwerkzeuge.
Bei den Fig. 1 bis 4 handelt es sich um schematische Darstellungen der Vorrichtung in verschiedenen Ausführungsformen, wobei auf die Einzeldarstellung der Massezu- und -abfuhr, der Rotorlagerungen, des Rotorantriebes und dergleichen Einzelheiten verzichtet ist. Die Vorrichtung besteht im Prinzip aus einem Gehäuse 1 mit innerer zylindrischer Bearbeitungsfläche
1' und einer Welle 2 mit aufgesetzten Misch- und Homogenisierwerkzeugen 3. Das Gehäuse 1 kann mit einem Doppelmantel 4 zur Ausbildung eines Kanals 5 versehen sein, dem durch Zu- und Ableitungen 6' 6 Wärme- oder Kühlmedien zugeführt werden können.
Diese ganze Vorrichtung ist vertikal angeordnet. Die Misch- und Homogenisierwerkzeuge 3 können, wie beispielsweise aus der Fig. 2 hervorgeht, unmittelbar auf der Welle 2' oder an einem Zylinder 2", der mit Wellenstümpfen zur Lagerung versehen ist, angebracht sein.
In Fig. 2 ist das Verfahrensprinzip verdeutlicht, aus der ersichtlich wird, dass die Masse in Form eines Films 7 längs der Bearbeitungsfläche 1' nach unten fliesst, wobei die Scheiben 3 mit ihren peripheren Bereichen in den Film eintauchen. Die sich daraus ergebenden Misch- und Homogenisierungseffekte wurden bereits oben erläutert.
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei der die Möglichkeit der Anlegung eines Vakuums berücksichtigt ist. Zu diesem Zweck sind im unteren Teil der Vorrichtung, aus der in diesem Falle der Massefilm nicht ohne weiteres frei ablaufen kann, ein Vakuumanschluss 8 und eine Ausförderpumpe 9 vorgesehen. Die unteren Scheiben 3' weisen für diesen Zweck Durchbrechungen 10 auf, so dass das angesetzte Vakuum etwa im unteren Drittel bzw. in der unteren Hälfte der Vorrichtung wirksam werden kann. Die über den durchbrochenen Scheiben 3' liegenden Scheiben 3 wirken als Verschluss nach oben, da sie keine Durchbrechungen aufweisen und mit ihren peripheren Bereichen in den Film 7 eintauchen.
Soll die Masse bei der Bewegung über die Bearbeitungsfläche 1' unterschiedlichen Temperaturbeeinflussungen unterworfen werden, so wird der Kanal 5 gemäss Fig. 1 in Einzelkanäle 5' aufgeteilt, wobei jeder Einzelkanal 5' mit besonderen Zu- und Abflussanschlüssen 11, 12 versehen ist (Fig. 4).
Die Misch- und Homogenisierwerkzeuge können mit Rücksicht auf das Verhalten der zu bearbeitenden Massen unterschiedlich ausgebildet sein. Es kann sich dabei um einfache Scheiben handeln, wie sie aus den Fig. 1-4 ersichtlich sind, wobei gemäss Fig. 2 die Scheiben gegebenenfalls auch mit konischen Umfangsflächen 13 ausgestattet sein können, wodurch ein gewisser Einzugseffekt der Masseteilchen in den Ringspalt 14 bewirkt werden kann. Gemäss Fig. 5 ist es aber auch möglich, die Scheiben mit Nuten 15 zu versehen, oder gemäss Fig. 6 die zylindrischen Umfangsflächen mit rändelungsartigen Profilierungen auszustatten, die im Sinne der Drehrichtung so geneigt sind, dass sich ein Fördereffekt nach unten ergibt. Selbstverständlich könnten solche Rändelungen auch auf den konischen Flächen 13 in Fig. 2 vorgesehen sein.
Ebenso wäre es möglich, in gewissen Umfangsabständen zwischen den Profilierungen 16 entgegengesetzte Profilierungen anzuordnen, um dadurch den Mischeffekt und die daraus resultierenden Umschichtungen zu verstärken.
In Fig. 7 ist schliesslich noch eine weitere Ausführungsmöglichkeit verdeutlicht, wobei an einem an der Welle 2' angeordneten, beispielsweise kreuzförmig ausgebildeten Träger 17 Rollen 18 angeordnet sind.
Insbesondere diese Ausbildungsform der Bearbeitungselemente wäre für eine ständige Durchlüftung des ganzen Vorrichtungsinnenraumes während der B earbei- tung geeignet.
Die Scheibe gemäss Fig. 5 mit den Nuten 15 kann auch in Verbindung mit einem Nutring 15' gemäss Fig. 8 verwendet werden, der in geeigneter Weise in die Bearbeitungsfläche 1' eingeschaltet wird und der gegebenenfalls ausser seiner Hauptnut 19' mit Nuten 19 längs seiner Umfangskanten ausgestattet sein kann, wodurch sich in an sich bekannter Weise gewissermassen eine Art Hochfrequenzbeanspruchung der Masse ergibt.
Zu erwähnen ist noch, dass bei dieser Arbeitsweise und dieser Vorrichtung der ganze Rotor während des ganzen Bearbeitungsvorganges sauber bleibt, da alle Teilchen, obgleich der Behälter 1 selbst steht, Zentrifugalkräften unterliegen und somit ständig an der Bearbeitungsfläche 1' gehalten werden. Mit Rücksicht darauf, wäre es natürlich auch möglich, die gesamte Vorrichtung mit einer gewissen Neigung anzuordnen oder gegebenenfalls sogar horizontal anzuordnen, wobei jedoch dann Bearbeitungs- und Eintauchelemente in ihren peripheren Bereich so ausgebildet sein müssten, dass sich für die Masseteilchen ein Vorschub ergibt. Die Senkrechtstellung der ganzen Vorrichtung wird jedoch bevorzugt, da dann die sowieso vorhandene Schwerkraftwirkung zur grundsätzlichen Weiterförderung des Massefilmes am besten ausgenutzt werden kann.
Je nach Beschaffenheit der Masse kann diese beispielsweise über eine ringförmige Aufgabe am oberen Umfangsrand der Bearbeitungsfläche 1' aufgegeben werden, es ist aber auch möglich, die Masse einfach in die obere Gehäuseöffnung einzuschütten, da die Masse sofort von den rotierenden Werkzeugen auf die Bearbeitungsfläche geschleudert wird.
Die Vorrichtung ist beispielsweise auch geeignet zum Lösen und Homogenisieren von Natur- und Synthesenkautschukklebern.