In der kunststoffverarbeitenden Industrie werden in zunehmender Menge Kunststoff-Granulate für Spritzguss benötigt, in denen der Kunststoff durch Fasern mit kurzer Stapellänge verstärkt ist. Die Fasern können natürlichen Ursprungs oder auch künstlich erzeugt sein; als Beispiele nennen wir Sisal, Asbest, Nylon, Glasfasern, Metallfasern (sogenannte Whiskers) und Fasern aus Kohlenstoff oder Keramik.
Die Fasern erhöhen die Steifigkeit des Kunststoffs im fertig gespritzten Teil und erlauben auch dessen Einsatz bei erhöhten Temperaturen, Vorbedingung für die Erhaltung optimaler Eigenschaften ist dabei aber, dass die Fasern ohne Zerstörung, in der gewünschten Länge und in gleichmässiger Verteilung im Kunststoffteil vorhanden sind.
Im Patent Nr. 491 731 wurde bereits ein kontinuierliches Verfahren für die Herstellung von faserstoffhaltigen Pressmassen beschrieben. Dieses Verfahren hat sich im allgemeinen bis zu einem Faseranteil von max. 30% gut bewährt und gestattet die gewünschte Qualität zu erzeugen, aber nur wenn die Misch- und Knetmaschine mit kleineren Durchsatzleistungen gefahren wird.
Wenn aber der Durchsatz gesteigert wurde, um die Wirtschaftlichkeit einer bestehenden Anlage zu erhöhen, so war einerseits die Durchsatzsteigerung durch den schlechten Einzug der Fasern mit Stapellängen zwischen 3 bis 12 mm (zumeist 6 mm) beschränkt, anderseits entstand ein beschränkter, jedoch unerwünschter Faserbruch mit erhöhtem Metallabrieb in der Misch- und Knetmaschine, wie es ja auch in noch stärkerem Masse von Einfach- oder Doppelschnecken anderer Bauart bekannt ist.
Es ist auch schon vorgeschlagen worden, auf den Einlauf zum Gehäuse der Misch- und Knetschnecke eine Stopfschnecke aufzusetzen, damit die Fasern unter Druck in die Kunststoffschmelze eingepresst werden. Mit dieser Massnahme kann der Durchsatz weiter gesteigert werden, aber der grösste Teil der Fasern wird gebrochen und es entsteht ein nicht mehr tragbarer Metallabrieb an der Stopfschnecke und der Knetund Mischschnecke.
Als ein weiteres Problem kommt hinzu, dass bei einzelnen, mit Glasfaser gefüllten Spritzgussmassen heute ein Glasfaseranteil von bis zu 505wo verlangt wird. Für die Aufbereitung solcher Massen war noch kein gut geeignetes, kontinuierliches Verfahren bekannt, welches die für die Wirtschaftlichkeit des Mischprozesses erforderlichen hohen Durchsätze erlaubt.
Es wird nun ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von faserverstärkten Kunststoff-Pressmassen vorgeschlagen, mit welchem die vorstehend geschilderten Nachteile vermieden werden.
Beim vorgeschlagenen kontinuierlichen Verfahren werden in einer mit Schnecken versehenen Misch- und Knetmaschine die Pressmassen-Rohprodukte mit Zusätzen in einer ersten Stufe intensiv und homogen gemischt und aufgeschmolzen, worauf dieser anfallenden Schmelze in einer weiteren Stufe Fasern mit wählbarer, vorbestimmter Stapellänge zudosiert, eingezogen und darin gleichmässig verteilt werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die lockeren Fasern mittels einer transportierenden Schnecke eingezogen und drucklos gleichmässig auf die vorwärtsgeförderte Schmelze aufgestreut werden.
Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens weist eine kontinuierlich arbeitende mit Schnecken versehene Misch- und Knetmaschine auf, deren Gehäuse mit mehreren aufeinander folgenden Öffnungen für den Einlauf der aufzubereitenden Kunststoffe, Zusätze und Fasern ausgerüstet ist und welche Dosiereinrichtungen aufweist. Gemäss der Erfindung ist auf der Einlauföffnung für Fasern eine Zuführschnecke mit Aufgabetrichter angeordnet, wobei die Schneckenenden der Zu führschnecke über der Kunststoff-Schmelze in der Misch- und Knetmaschine so stehen, dass die Fasern gleichmässig verteilt auf die Schmelze aufgestreut werden, ohne dass der Förderdruck der Zuführschnecke auf die Schmelze einwirkt.
Vorzugsweise kann das Gehäuse der Misch- und Knetmaschine in Schüsse unterteilt sein, die in wählbarer Reihenfolge aneinander anflanschbar sind. Als Zuführschnecke kann mit Vorteil eine gleichlaufende Doppelschnecke in senkrechter Anordnung mit einem Einlauftrichter Verwendung finden, die vorteilhaft mit einer solchen Drehzahl angetrieben ist, dass ihr vom zugeordneten Dosierorgan beschickter Einlauftrichter ständig leer, also ohne Füllstand ist.
Im folgenden wird das Verfahren an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.
Auf beiligenden Zeichnungen sind schematisch die bisher bekannten Einrichtungen sowie auch die vorgeschlagene, neue Bauart dargestellt.
Fig. 1 zeigt eine Anordnung mit zwei Einläufen und zwei Dosierwaagen,
Fig. 2 zeigt eine Anordnung mit zwei Einläufen mit zwei Dosierwaagen und dazwischen mit einer Entgasungsöffnung;
Fig. 3 zeigt die Misch- und Knetmaschine der Fig. 2 in Auf sicht;
Fig. 4 zeigt schematisch eine Doppelschnecke mit Aufgabetrichter im Querschnitt; und
Fig. 4a einen Längsschnitt durch den unteren Teil.
Die Zeichnungen Fig. 1 bis 3 zeigen Anordnungen von Misch- und Knetmaschinen für die bisherigen Verfahren, beispielsweise wie es in der CH-PS 491 731 beschrieben wurde.
Das Gehäuse der Misch- und Knetmaschine ist in mehrere Schüsse 1, 2, 3 unterteilt, die aneinander geflanscht sind. Bei A wird eine Vormischung des Kunststoffs, mit pulverförmigen Füllstoffen und Zusätzen, über eine Dosierbandwaage 7 in den Einlauftrichter 5 des ersten Gehäuseschusses 1 aufgegeben, in dem die Misch- und Knetschnecke so ausgebildet ist, dass die Vormischung intensiv und homogen gemischt und aufgeschmolzen wird. Bei B werden die Fasern mit vorbestimmter Stapellänge gleichfalls über eine Dosierbandwaage 7 in einem Einlauftrichter 5 aufgegeben, der auf dem Gehäuseschuss 2 sitzt. Ist die Zugabe von weiteren flüssigen oder pastenförmigen Komponenten zur Schmelze erforderlich, dann könnten diese durch eine an entsprechender Stelle angebrachten Gehäusebohrung eingespritzt werden.
Wenn sich in der Schmelze vor oder auch nach der Zugabe der Fasern Dämpfe entwickeln, so wird ein weiterer Gehäuseschuss 3 eingesetzt, mit einer Öffnung, durch welche die Gase oder Dämpfe C abziehen können. Die fertige Mischung A + B wird dann durch Düsen ausgetragen und zu Granulat zerhackt, welches später in Spritz- gussmaschinen oder Pressen zu den fertigen und verstärkten Kunststoffteilen geformt wird.
Fig. 4 und 4a zeigen schematisch im Schnitt die erfindungsgemässe Anordnung einer Zuführschnecke als gleichlaufend kämmende Doppelschnecke 8, die an Stelle eines Einlauftrichters 5 senkrecht in die Öffnung des Gehäuseschusses 2 einer Misch- und Knetmaschine eingesteckt wird. Dabei wird der Übergang des Auslaufs 9 der Doppelschnecke 8 zur Kunststoffschmelze 11 so gewählt, das die Fasern gleichmässig verteilt auf die Schmelze aufgestreut werden, ohne dass der Förderdruck der Doppelschnecke auf die Schmelze einwirkt.
Die Doppelschnecke wird vom Getriebemotor M so betrieben, dass sich im Aufgabetrichter 6 kein Füllstand ausbildet. Das Steckgehäuse der Doppelschnecke 8 besteht aus mehreren Schüssen die zusammengeflanscht sind und von denen der unterste, eingesteckte Teil 10 heiz- oder kühlbar ist.
Fig. 4a zeigt im Längsschnitt schematisch die Anordnung der Doppelschnecken 8 über der Misch- und Knetwelle 12.
Mit 29 ist eine Knetschikane im Gehäuse 2 der Misch- und Knetmaschine bezeichnet. An Stelle der hier abgebildeten einwelligen Misch- und Knetmaschine könnten natürlich auch Doppelschnecken eingesetzt werden, vorausgesetzt, dass sie die Fasern schonend in die Schmelze einmischen können.
Die Zwischenschaltung einer Zuführschnecke, als Doppelschnecke in nichtstopfender Betriebsweise, zwischen Dosierorgan 7 und dem Einlauf zu 2 hat in verschiedenen Bereichen unerwartet grosse Fortschritte ermöglicht, wie an einem kurzen Beispiel dargelegt wird.
Beispiel
Auf einer Misch- und Knetmaschine nach Fig. 1 und mit einem Gehäusedurchmesser von 200 mm konnten kontinuierlich 600 kg/h Kunststoffgranulat, bestehend aus einem thermoplastischen Polyamid und 30% locker aufgestreuten Glass sern aufbereitet werden. Bei anderen Kunststoffen lagen die
Durchsätze je nach Zähigkeit und Schmelzviskosität bei 500 bis 600 kg/h.
Eine Erhöhung des Durchsatzes dadurch dass man die Fasern unter Druck in die Kunststoffschmelze stopfte, führte neben nachteiligen Schwankungen im Fasergehalt zu den bereits bekannten Nachteilen des zu hohen Anteils an Faserbruch und Metallabrieb.
Nach Zwischenschaltung der erfindungsgemäss betriebenen Zuführschnecke zwischen dem Dosierorgan 7 und dem Einlauf zu Gehäuseschuss 2, ergab sich eine Durchsatzerhö hung auf 1200 kg/h ohne erheblichen Faserbruch. tYberra- schend war auch, dass die Zuführschnecke, welche die locker einfallenden Fasern kompakt einzieht, keinerlei nennenswer ten Faserbruch hervorrief und nach Durchsatz von 40 000 kg noch kein Metallabrieb festgestellt werden konnte.
Nicht erwartet wurde auch, dass die erfindungsgemäss be triebene Zuführschnecke vorteilhaft verhindert, dass die ge naue Dosierung der Waage 7 durch unregelmässigen Einzug in die Schmelze zu grösseren Schwankungen im Fasergehalt des Kunststoffgranulats vermindert wird. Mit der Zuführ schnecke wurde eine grosse Konstanz im Glasfasergehalt er reicht, die bei längeren Messreichen mit Probennahmen im 5
Minuten Intervall die vorteilhaft kleine Standardabweichung von nur 0,24 Gew. % ergab.
Die neue Verfahrensweise ergibt also für eine gegebene
Anlage eine Erhöhung des Leistungsvermögens um 100%, ohne erheblichen Faserbruch oder Verschleiss der Maschinen teile. Die Genauigkeit der Dosierung und gleichmässige Ver teilung der Fasern ist dabei gewährleistet.
Erstmals konnten auch einwandfrei mit dem neuen Ver fahren kontinuierlich Kunststoffgranulate mit einem Faserge halt von 50 Gew. % mit 1000 kg/h aufbereitet werden.
PATENTANSPRÜCHE
I. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von faser verstärkten Kunststoff-Pressmassen, in einer mit Schnecken versehenen Misch- und Knetmaschine, bei dem die Pressmas sen-Rohprodukte mit Zusätzen in einer ersten Stufe intensiv und homogen gemischt und aufgeschmolzen werden, worauf dieser anfallenden Schmelze in einer weiteren Stufe Fasern mit wählbarer, vorbestimmter Stapellänge zudosiert, einge zogen und darin gleichmässig verteilt werden, dadurch ge kennzeichnet, dass die lockeren Fasern mittels einer trans portierenden Schnecke eingezogen und drucklos gleichmässig auf die vorwärtsgeförderte Schmelze aufgestreut werden.
II. Einrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Patent anspruch I, welche eine kontinuierlich arbeitende, mit Schnek ken versehene Misch- und Knetmaschine aufweist, deren Ge häuse mit mehreren aufeinanderfolgenden Öffnungen für den
Einlauf der aufzubereitenden Kunststoffe, Zusätze und Fa sern ausgerüstet ist, und welche Dosiereinrichtungen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Einlauföffnung für Fa sern eine Zuführschnecke mit Aufgabetrichter angeordnet ist, der ein Dosierorgan für Beschickung mit Fasern zugeordnet ist, wobei die Schneckenenden der Zuführschnecke über der
Kunststoff-Schmelze in der Misch- und Knetmaschine so ste hen, dass die Fasern gleichmässig verteilt auf die Schmelze aufgestreut werden,
ohne dass der Förderdruck der Zuffihr- schnecke auf die Schmelze einwirkt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekenn zeichnet, dass das Gehäuse der Misch- und Knetmaschine in Schüsse unterteilt ausgeführt ist, die in wählbarer Reihenfolge aneinander anflanschbar sind.
2. Einrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekenn zeichnet, dass die Zuführschnecke eine gleichlaufend käm mende Doppelschnecke ist.
3. Einrichtung nach Unteranspruch 2, gekennzeichnet durch senkrechte Anordnung der Zuführschnecke.
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In the plastics processing industry, plastic granulates in which the plastic is reinforced by fibers with a short stack length are required in increasing quantities for injection molding. The fibers can be of natural origin or also artificially produced; as examples we mention sisal, asbestos, nylon, glass fibers, metal fibers (so-called whiskers) and fibers made of carbon or ceramic.
The fibers increase the stiffness of the plastic in the finished injection-molded part and also allow its use at elevated temperatures.However, a prerequisite for maintaining optimal properties is that the fibers are present in the plastic part without destruction, in the desired length and in an even distribution.
In the patent no. 491 731 a continuous process for the production of fiber-containing molding compounds was already described. This method has generally proven itself up to a fiber content of max. 30% well proven and allows the desired quality to be produced, but only if the mixing and kneading machine is operated with lower throughput rates.
If, however, the throughput was increased in order to increase the profitability of an existing system, then on the one hand the increase in throughput was limited by the poor intake of the fibers with staple lengths between 3 and 12 mm (mostly 6 mm), on the other hand there was a limited but undesirable fiber breakage increased metal abrasion in the mixing and kneading machine, as is known to an even greater extent from single or twin screws of other types.
It has also been proposed to place a stuffing screw on the inlet to the housing of the mixing and kneading screw so that the fibers are pressed into the plastic melt under pressure. With this measure, the throughput can be increased further, but most of the fibers are broken and metal abrasion that is no longer acceptable is created on the stuffing screw and the kneading and mixing screw.
Another problem is that in the case of individual injection molding compounds filled with glass fiber, a glass fiber content of up to 50% is required today. No well-suited, continuous process was known for the preparation of such masses, which would allow the high throughputs required for the economy of the mixing process.
A method is now proposed for the continuous production of fiber-reinforced plastic molding compounds with which the disadvantages described above are avoided.
In the proposed continuous process, the molding compound raw products with additives are intensively and homogeneously mixed and melted in a first stage in a mixing and kneading machine provided with screws, whereupon fibers with a selectable, predetermined pile length are added to this resulting melt in a further stage, drawn in and inserted therein be evenly distributed. This method is characterized in that the loose fibers are drawn in by means of a transporting screw and are evenly sprinkled onto the forward melt without pressure.
The device for carrying out the process has a continuously working mixing and kneading machine provided with screws, the housing of which is equipped with several successive openings for the inlet of the plastics, additives and fibers to be processed and which has metering devices. According to the invention, a feed screw with feed funnel is arranged on the inlet opening for fibers, the screw ends of the feed screw being above the plastic melt in the mixing and kneading machine in such a way that the fibers are evenly scattered over the melt without the conveying pressure the feed screw acts on the melt.
The housing of the mixing and kneading machine can preferably be divided into sections which can be flanged to one another in a selectable sequence. A co-rotating twin screw in a vertical arrangement with an inlet funnel can advantageously be used as the feed screw, which is advantageously driven at such a speed that its inlet funnel fed by the associated metering device is constantly empty, i.e. without a fill level.
The method is described in more detail below using an exemplary embodiment.
The previously known devices as well as the proposed new design are shown schematically on the accompanying drawings.
Fig. 1 shows an arrangement with two inlets and two metering scales,
2 shows an arrangement with two inlets with two metering scales and with a degassing opening between them;
Fig. 3 shows the mixing and kneading machine of Figure 2 in view;
4 shows a schematic cross section of a twin screw with a feed hopper; and
4a shows a longitudinal section through the lower part.
The drawings, FIGS. 1 to 3 show arrangements of mixing and kneading machines for the previous processes, for example as described in CH-PS 491,731.
The housing of the mixing and kneading machine is divided into several sections 1, 2, 3, which are flanged together. At A, a premix of the plastic, with powdery fillers and additives, is fed into the inlet funnel 5 of the first housing section 1 via a weighfeeder 7, in which the mixing and kneading screw is designed so that the premix is mixed and melted intensively and homogeneously. At B, the fibers with a predetermined staple length are also fed into an infeed funnel 5 via a weighfeeder 7, which sits on the housing section 2. If the addition of further liquid or paste-like components to the melt is necessary, then these could be injected through a housing bore made at the appropriate point.
If vapors develop in the melt before or after the addition of the fibers, a further housing section 3 is used, with an opening through which the gases or vapors C can be drawn off. The finished mixture A + B is then discharged through nozzles and chopped into granulate, which is later formed into the finished and reinforced plastic parts in injection molding machines or presses.
4 and 4a show schematically in section the arrangement according to the invention of a feed screw as a co-rotating, intermeshing double screw 8 which, instead of an inlet funnel 5, is inserted vertically into the opening of the housing section 2 of a mixing and kneading machine. The transition from the outlet 9 of the twin screw 8 to the plastic melt 11 is selected in such a way that the fibers are evenly distributed over the melt without the feed pressure of the twin screw acting on the melt.
The double screw is operated by the gear motor M in such a way that no filling level is formed in the feed hopper 6. The plug-in housing of the twin screw 8 consists of several sections which are flanged together and of which the lowermost, inserted part 10 can be heated or cooled.
4 a shows, in a longitudinal section, the arrangement of the twin screws 8 above the mixing and kneading shaft 12.
With a kneading baffle in the housing 2 of the mixing and kneading machine is designated. Instead of the single-screw mixer and kneading machine shown here, twin screws could of course also be used, provided that they can gently mix the fibers into the melt.
The interposition of a feed screw, as a double screw in non-clogging mode, between the metering element 7 and the inlet to 2 has made unexpectedly great progress possible in various areas, as will be shown in a brief example.
example
On a mixing and kneading machine according to FIG. 1 and with a housing diameter of 200 mm, 600 kg / h of plastic granulate, consisting of a thermoplastic polyamide and 30% loosely sprinkled glass fibers, could be processed continuously. With other plastics they were
Throughputs depending on toughness and melt viscosity at 500 to 600 kg / h.
Increasing the throughput by stuffing the fibers into the plastic melt under pressure led, in addition to disadvantageous fluctuations in the fiber content, to the already known disadvantages of the excessive proportion of fiber breakage and metal abrasion.
After interposing the feed screw operated according to the invention between the metering element 7 and the inlet to the housing section 2, there was an increase in throughput to 1200 kg / h without significant fiber breakage. It was also surprising that the feed screw, which compactly draws in the loosely falling fibers, did not cause any noticeable fiber breakage and after a throughput of 40,000 kg no metal abrasion could be detected.
It was also not expected that the feed screw operated according to the invention advantageously prevents the precise metering of the scales 7 from being reduced to major fluctuations in the fiber content of the plastic granulate due to irregular intake into the melt. With the feed screw, a great constancy in the glass fiber content was achieved, which is the case with longer measurement ranges with sampling in the 5th
Minute interval resulted in the advantageously small standard deviation of only 0.24% by weight.
The new procedure thus results for a given
Plant an increase in performance by 100%, without significant fiber breakage or wear of the machine parts. The accuracy of the dosing and even distribution of the fibers is guaranteed.
For the first time, plastic granulates with a fiber content of 50% by weight could be processed continuously at 1000 kg / h with the new process.
PATENT CLAIMS
I. A method for the continuous production of fiber-reinforced plastic molding compounds, in a screw mixer and kneading machine, in which the Pressmas sen raw products with additives in a first stage are intensively and homogeneously mixed and melted, whereupon this resulting melt in a In a further stage, fibers with a selectable, predetermined pile length are metered in, drawn in and evenly distributed therein, characterized in that the loose fibers are drawn in by means of a transporting screw and sprinkled evenly onto the forward melt without pressure.
II. Device for performing the method according to patent claim I, which has a continuously working, provided with screws mixing and kneading machine, the Ge housing with several successive openings for the
Inlet of the plastics, additives and fibers to be processed is equipped, and which has metering devices, characterized in that a feed screw with feed hopper is arranged on the inlet opening for fibers, to which a metering device for charging fibers is assigned, the screw ends of the feed screw over of the
Stand the plastic melt in the mixing and kneading machine in such a way that the fibers are evenly distributed over the melt,
without the feed pressure of the feed screw acting on the melt.
SUBCLAIMS
1. Device according to claim II, characterized in that the housing of the mixing and kneading machine is designed to be divided into sections which can be flanged to one another in a selectable order.
2. Device according to claim II, characterized in that the feed screw is a concurrently combing twin screw.
3. Device according to dependent claim 2, characterized by the vertical arrangement of the feed screw.
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