CN103889674B - 用于制备塑料材料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于预处理、接着输送或塑化塑料的装置，其具有容器(1)，该容器(1)具有可围绕旋转轴线(10)旋转的混合和/或破碎工具(3)，其中，在侧壁(9)中构造有孔(8)，所述塑料材料能够通过所述孔(8)排出，其中，设有输送机(5)，其具有在外壳(16)中旋转的蜗杆(6)。本发明的特征在于，所述输送机(5)的纵轴线(15)在与输送方向(17)相反的方向上的想象延长线从所述旋转轴线(10)旁经过，其中，所述纵轴线(15)在出口侧与同所述纵轴线(15)平行的径向线(11)错开距离(18)，并且，所述蜗杆(6)的L/D比例≥7，并且所述蜗杆(6)的压缩性构造从大于所述蜗杆(6)的1.5倍直径(d)的距离(A)处才开始。

Description

用于制备塑料材料的装置
技术领域
本发明涉及一种权利要求1前序部分所述的装置。
背景技术
现有技术公开了大量具有不同构造形式的相似装置，其包括容纳容器或用于破碎、加热、软化和制备要被循环利用的塑料材料的切割压紧装置以及与其连接的输送机或用于熔化如此准备的材料的挤出机。其目的在于获得尽可能高品质的大部分为颗粒形的最终产品。
例如在EP 123 771或EP 303 929中就描述了具有容纳容器和与其连接的挤出机的装置，其中通过旋转破碎和混合工具，输送给容纳容器的塑料材料被粉碎并被旋起环绕运动，通过加入的能量同时被加热。由此形成了具有足够好的热均匀性的混合物。在经过相应的停留时间后，该混合物从容纳容器中排出输送到螺杆挤出机中，并被塑化或熔化。螺杆挤出机大致布置在破碎工具的高度上。通过这种方式，软化了的塑料颗粒通过混合工具主动地压入或塞入挤出机。
但在蜗杆的出口处获得所加工塑料材料的质量方面以及/或者在蜗杆的输出量方面，大多数上述这些很久之前就已公知的结构并不尽如人意。实验表明，对于在容器之后的蜗杆(大多数情况下为塑化蜗杆)在工作过程中的要求是不一样的。
对于在热量和机械方面均匀的材料来说，如果蜗杆的计量区域(Meteringszone)螺纹深度很大，并且蜗杆的转速保持很小，那么通常可以改善在蜗杆出口处获得的物料质量。实验表明，原因在于，所处理的材料由于这种蜗杆几何形状会受到较小的剪切作用。对所处理物料的剪切作用(剪切速度)用蜗杆的圆周速度除以蜗杆的螺纹深度得到。通过这种蜗杆几何形状可以使材料受到较小的机械和热量方面的作用。
但如果重视的是提高蜗杆的输出量或改善破碎挤出机组的功率，那么必须提高蜗杆的转速，而这意味着剪切变形也要提高。但这样的话，所加工的材料在热量和机械方面受到蜗杆的作用也越强。
无论是在运转缓慢、具有大螺纹深度的深切的蜗杆中还是在快速运转的蜗杆中，输送给蜗杆的各个物料部分的不同质量、如塑料材料的不同絮团粒度和/或不同温度都会在蜗杆出口处获得的塑料材料的不均匀性方面产生不良影响。为了弥补这种不均匀性，在实践中会将挤出机的温度场提高，这意味着，必须向塑料提供附加能量，而这会造成上述对塑料材料的热损害，同时也会造成更高的能量需求。此外，这还会引起在挤出机出口处获得的塑料材料的粘度变小，即塑料材料变得稀薄，而这会在继续加工该材料时造成困难。
由此可见，利于在蜗杆出口处获得较好的材料质量的各个工艺参数是彼此矛盾的。
挤出蜗杆的基本任务在于送入、输送、熔化或聚结并接着匀化塑料材料。为此，其必须积聚一定的压力。
经典的等螺距锥体挤出蜗杆基本上分为三个功能区域。这种三区蜗杆是最常用的蜗杆形式，用这种形式的蜗杆可以处理大量的材料种类。在入料区域中，材料被送入蜗杆的区域中，通过蜗杆的旋转被继续输送。在压缩区域中，材料通过减小的螺纹深度被压缩、熔化或聚结。在计量区域中，熔体或聚结物被加热至所希望的处理温度、匀化并完全熔化。此外还构造出所需的压力，以便克服工具阻力。其对物料通过率有影响。
对于从切割压紧装置进入挤出机的被预加工或软化的聚合物材料的熔化或聚结性能和产品的最终成品质量以及挤出机的物料通过率或出料率尤为重要的因素包括各个区域的长度以及蜗杆的参数，如其厚度、螺纹深度等等。
但对于这里所述的切割压紧装置和挤出机的组合设备情况有些特殊，因为进入挤出机的材料并不是直接、未经处理、凉的被送入，而是已经在切割压紧装置中被预处理，即被加热、软化和/或部分结晶等等。这对于挤出过程和熔体或成品的最终质量具有同样重要的影响。
所述两个系统、即切割压紧装置和挤出机彼此互相影响，挤出的结果很大程度上取决于预处理，挤出同样可以弥补和影响预处理的某些参数。
因此，一个重要的区域是切割压紧装置和挤出机之间的接口，也就是指如下区域，即在该区域中，被预处理的材料从切割压紧装置被转运到挤出机中。一方面，这是一个纯机械问题部位，因为两个具有不同工作方式的装置必须在这里彼此偶联。另外，该接口对于聚合物材料也是微妙的，因为材料在这里通常都接近熔化，处于严重软化状态，但还不允许熔化。如果温度过低，那么物料通过率和质量会降低。如果温度过高，在某些部位中出现不希望的熔化，那么入料口会堵塞。
此外，对挤出机进行准确的配料和供料也是困难的，因为这里涉及的是一种封闭式的系统，没有到入料口的直接通道，将材料送入挤出机是通过切割压紧装置进行的，也就是说无法直接例如通过重量的配料器来影响供料。
因此重要的是，对这个过渡区域的设计既要考虑机械方面问题，也要理解聚合物特性，同时要注意整个过程的经济性，也就是说要注意较高的物料通过量和相应的质量。这里要注意的是部分矛盾的前提条件。
开头部分所述的公知技术中已知的装置具有的共同点是，混合和破碎工具的输送方向或旋转方向以及材料颗粒在容纳容器中的旋转运动方向与输送设备、尤其是挤出机的输送方向基本上是相同的或同向的。这种有意选择的设置方式是源于人们希望将材料尽量塞入蜗杆中或者说对其强制喂料。这种将颗粒在蜗杆输送方向上塞入输送蜗杆或挤出机蜗杆中的构思也是非常容易想到，其符合本领域技术人员的一般设想，因为这样的话，颗粒就不必反转其运动方向，因此就不必再为方向反转而施加附加的力。在这种构思以及由此而产生的种种改进中，人们总是尽力达到尽可能高的蜗杆填充度，加强这种塞入效应。例如人们尝试对挤出机的进料区域进行锥形扩展或将破碎工具弯成镰刀形，以便其能够将软化的材料大量地喂入蜗杆。通过将挤出机的入口侧从相对于容器的径向位置偏置到相对于容器的切向位置，更加强化了这种塞入效应，塑料材料被旋转的工具更加强烈地输送到或压入到挤出机中。
这种装置基本上是功能性较强，其工作也是令人满意的，但也具有如下反复出现的问题：
例如在加工具有较小能值的材料、如PET纤维或PET薄膜或在加工具有较低粘性点或软化点的材料、如聚乳酸(PLA)时，总是会观察到如下效果，即将塑料材料有意同向塞入挤出机的进料区域在压力作用下会导致材料在刚刚通过或就在挤出机的进料区域中时就会过早熔化。这一方面会造成蜗杆的运输功率下降，而且还会造成熔体部分回流到切割压紧装置或容纳容器的区域中，而这会造成还没有熔化的片状物附着在熔体上，从而会使熔体再被冷却并部分凝固，这样会形成由部分凝固的熔体和固态塑料颗粒构成的块状物或混合物。这样会阻塞入口，粘住混合和破碎工具。而这会进一步造成输送机或挤出机的物料通过量或排出量减小，因为不能再对蜗杆进行足够的填料。此外混合和破碎工具会被塞住。这种情况下一般必须将设备停机并彻底清洗。
此外，在切割压紧装置中已经被加热到接近熔化的聚合物材料会出现问题。如果进料区域被过度填充，那么材料会熔化，材料进入会降低。
问题同样会出现在具有一定长度延展度、厚度或刚度较小的、大多拉伸的、条形的纤维状材料，如切成条的塑料薄膜。造成问题的原因首先在于，长形的材料在蜗杆进料口的出料端挂住，其中，条形材料的一端伸入容纳容器中，而另一端则伸入进料区域中。因为混合工具和蜗杆同向运转或向材料施加相同的运输方向分量和压力分量，所以条状材料的两端在相同方向上受到拉力和压力作用，从而导致条状材料不能脱离。而这会导致材料在该区域中聚集，减小进料口的横截面，从而使入料性能变差，物料通过量变小。此外，在此区域中送料压力的提高会引起熔化，从而开始部分提出的问题又会出现。
在这种同向旋转的切割压紧装置上连接有不同的挤出机，其中，结果基本上是完全可以接受的并令人满意的。但申请人进行了全面的试验以便能够对整个系统继续进行改进。
发明内容
因此，本发明的任务在于，克服上述缺点，改善开头部分所述类型的装置，使得除了通常的材料，敏感的或条形的材料也可以毫无问题地被蜗杆送入，在获得高质量材料的同时，能够尽量节省空间地、高效地、节能地、大物料通过量地处理或加工上述材料。
在开头部分所述类型的装置中，该任务通过权利要求1的特征部分特征解决。
在此首先设置，所述挤出机(如果其只有唯一一个蜗杆)的中央纵轴线或离所述入料口最近的蜗杆(如果其具有的蜗杆多于一个)的纵轴线在与所述挤出机的输送方向相反的方向上的想象延长线从所述旋转轴线旁经过，而不与其相切，其中，所述挤出机(如果其只有唯一一个蜗杆)的纵轴线或所述离所述入料口最近的蜗杆的纵轴线在出口侧在所述工具的旋转方向上与同所述纵轴线平行的、从所述混合和/或破碎工具的旋转轴线在所述挤出机的输送方向上向外指向的容器的径向线错开距离。
这样，混合工具的输送方向和挤出机的输送方向就不再像现有技术公知的那样是相同的了，而是至少略微相反，从而减小了上面所述的塞入效应。通过有意识地将混合破碎工具的旋转方向与目前公知的装置设计得相反，使得对于入料区域的供料压力得以减小，填满溢出的风险也得以减小。这样，多余的材料不会被以过高的压力塞入或填入挤出机的进料区域中，与此相反，多余的材料甚至有再从那里被移走的趋势，从而使得在进料区域中始终有足够的材料，但这些材料几乎不受压力作用或只受较小的压力作用。这样可以对蜗杆进行足够的填料，使得蜗杆总是有足够的材料送入，而不会导致蜗杆过度填充，从而导致局部压力峰值，而这会让材料熔化。
通过这种方式避免了材料在挤出机进料区域中熔化，从而提高了工作效率，延长了维修间隔，缩短了由于各种维修和清洁措施导致的停机时间。
通过减小送料压力，可以以公知方式调节蜗杆填充程度的滑阀的反应更加灵敏，可以更加准确地调节蜗杆的填充程度。尤其对于较重的材料、如由高密度聚乙烯(HDPE)或PET组成的磨料可以更容易地找出设备的最佳运行点。
此外，已经被证明出奇有利的是，已经被软化到接近熔化的材料可以通过本发明所述的相反运行方式被更好的送入。尤其当材料已经处于浆状或软化状态时，蜗杆从靠近容器壁的浆状材料环中切割材料。当旋转方向与挤出机蜗杆的输送方向相同时，该材料环被继续向前推进，从而使得蜗杆不能刮下材料，从而降低了入料效率。这通过本发明所述的将旋转方向反向设计而得以避免。
此外，在加工上述长条形或纤维状的材料时可以更容易将所形成的悬挂物或堆积物清除，或者说干脆就不会形成这些悬挂物或堆积物，因为在所述孔的在混合工具的旋转方向上位于出口侧的或位于下游的边缘上，混合工具的方向矢量与挤出机的方向矢量的指向几乎相反或至少略微相反，从而长形的条状物不会在该边缘上弯曲悬挂，而是再次被容纳容器中的混合旋流带走。
总而言之，通过本发明的设计方案改善了入料性能，大大提高了物料通过量。由切割压紧装置和挤出机构成的整个系统由此变得更稳定、效率更高。
与此紧密相关的是就在入料区域与压缩区域中蜗杆的特殊设计。申请人在此惊奇地发现，通过特殊的蜗杆几何形状还能够进一步改善进料性能。在此设置蜗杆从入料口的端部开始的L/D比例≥7。换一种表达方式就是，蜗杆长度与蜗杆的额定直径的比例为≥7，其中，蜗杆长度从在所述蜗杆输送方向上位于下游的入料口边缘或从位于在该边缘上的、在所述蜗杆输送方向上位于最下游的点测起直到所述蜗杆或所述外壳的容器远端的远侧端部或直到最早的、位于最上游的、构造在所述外壳中的用于所述熔体或所述聚结物的出口。被所述外壳完全包围的蜗杆部分从在所述蜗杆输送方向上位于下游的入料口边缘处开始。所述蜗杆的直径是指位于所述入料口下游区域中的平均直径。
此外还设置，蜗杆的压缩性构造从大于所述蜗杆的1.5倍直径的距离A处才开始，其中，所述距离A从在所述蜗杆输送方向上位于下游的入料口边缘或从位于在该边缘上的、在所述蜗杆输送方向上位于最下游的点处测起。这样保证了良好的入料，又能避免或平衡各种作用在所述材料上的局部压力峰值或过度填料。
在此处之前的区域中，所述蜗杆基本上是无压缩的、也就是非压缩的，或者甚至是减压的。这在入料区域中恰恰是有利的。
所述蜗杆的压缩性构造的起点理解为如下点，即在该点处，所述蜗杆的螺旋角≥1º，或者说第一次达到该值并变大。在此处之前的区域中，螺旋角<1º，并且所述蜗杆基本上是非压缩性的或几乎不是压缩性的。所述蜗杆的螺旋角通过如下方式确定，即沿着所述蜗杆的中央纵轴线在蜗杆的中央纵剖。在每个蜗杆螺距中取最深点，将这些点连接起来。这样得到一条直线或曲线，其与所述蜗杆的纵轴线或所述纵轴线的平行线具有夹角、即螺旋角。因此，螺旋角是用于衡量蜗杆的压缩性能或蜗杆对材料施加的压缩作用的标准。螺旋角越大，蜗杆的压缩作用越强。但在<1º的区域中，压缩作用小到可以忽略不计。螺旋角虽然可以变为负数，但在减压性设计的蜗杆中，从输送方向来看，由这些点确定的直线的斜度是负数。
设有某个无压区的优点一方面在于可以没有过多的剪切作用而将能量良好地施加到材料中，如通过设置在挤出机上的加热装置。另一方面，过长的无压区会不必要地加长挤出机的构造，如果根本没有必要将无压区设置的过长的话更是如此，因为材料来自于切割压紧装置，已经被相应地预热了。通过使用来自切割压紧装置的被预热和匀化的材料还可以将压缩区设计得更短，因为材料中已经有足够的内部能量了，这时只需要一个较短的压缩区来熔化所述材料。
通过上述方式得到了由切割压紧装置和挤出机构成的系统的一种特殊构造，所述系统包括具有特殊构造和工具特定旋转方向的切割压紧装置，以便将软化的材料以高效但良好地转交给挤出机，所述系统还包括具有特殊构造的挤出机，其具有的螺杆与该切割压紧装置配合能够获得出人意料的进料效果，并接着将材料压缩。如上所述，入料性能对于熔体或聚结物以及成品的材料质量和系统的物料通过率具有重要的影响。
申请人所进行的对比实验得到了如下结果：
将一种纤维状的生物聚合物、即聚乳酸(PLA)分别在如图1和图2所示的本发明所述的设备(旋转方向相反、L/D=14、A=2)和结构类似的公知的设备(旋转方向相同、L/D=15、A=2.5)中在其他参数相同的情况下进行处理。
从挤出机的末端连续取出熔体样本，根据ISO1133:1997相应确定MFI值(以g/10min为单位的熔体流动指数)。这些结果总结在图5中。
从中可以看出，在公知的设备中，MFI值的波动宽度明显较大。出现这种情况的原因可能在于，对蜗杆的填料是不均匀的，在过度填料的情况下会导致材料被氧化分解和热分解，从而使得材料变稀薄，因此MFI值较高。这也有可能是由于材料程度更强地挂在入料口处，这时而导致填料不足，时而导致填料过度，这导致了粘度值的这种波动。
人们希望获得尽可能恒定的MFI值，同时获得与所处理材料的初始值尽可能相似的MFI值。两者均可以通过本发明所述的设备达到，如图5所示，MFI值的恒定性较高，或者说MFI值的波动性大大减小。
本发明的其他有利构造方式通过如下特征来描述：
在一个尤为有利的实施方式中，所述蜗杆的压缩性构造从最大为所述直径的30倍、尤其最大为所述直径的20倍的距离B处之前的区域中开始，其中，所述距离B从在所述蜗杆输送方向上位于下游的边缘或从所述入料口的位于最下游的点处测起。所述无压区不必或不可以构造得过长。这一方面会不必要地使设备加长，另一方面，对材料进行过长的输送直至熔化或压实是困难的，对于质量来说也是没有好处的。
在另一个具有更高效率的有利实施方式中，所述蜗杆的长度L与蜗杆的额定直径的比例为≥10，尤其是≥14，其中，所述蜗杆的长度L从在所述输送方向上位于下游的边缘或从所述入料口的位于最下游的点测起直到位于所述蜗杆的容器远端的端部处的构造在所述外壳中的出口。
此外对于入料性能有利的是，所述蜗杆的压缩性构造从大于所述蜗杆的直径d的2倍、尤其3倍的距离A处才开始，其中，所述距离A从在所述蜗杆输送方向上位于下游的边缘或从所述入料口的位于最下游的点处测起。
在一个结构上有利并具有高熔化效率的实施方式中，所述蜗杆的压缩性构造的长度、即在三区蜗杆中压缩区域到计量区域的长度为所述蜗杆直径的0.5-7倍，优选为1-5倍。
在本发明的一个有利的改进实施方式中，挤出机设置在容纳容器上，使得方向矢量(旋转方向的方向矢量)与所述挤出机的输送方向的方向矢量的标积在所述孔的每个单个点处或在所述孔的整个区域中或在径向紧邻所述孔之前的每个单个点处或在径向紧邻所述孔之前的整个区域中均是零或负数，其中，所述方向矢量(旋转方向的方向矢量)与所述混合和/或破碎工具的径向最外侧点的旋转圆相切或与在所述孔旁经过的塑料材料相切，并且与所述容纳容器的径向线垂直，并且指向所述混合和/或破碎工具的旋转方向或运动方向。在径向紧邻所述孔之前的区域定义为所述孔之前的如下区域，即在该区域中，材料即将要穿过所述孔但尚未通过所述孔。通过这种方式获得了开头部分所述的优点，有效地避免了由于塞入效应在入料孔区域中形成块状物。尤其是，这里重要的不是混合装置与蜗杆的相对空间布置，例如，旋转轴线不必垂直于底面或挤出机或蜗杆的纵轴线。旋转方向的方向矢量与输送方向的方向矢量位于一个优选为水平的平面中或是位于一个与旋转轴线垂直的平面中。
在另一个有利的实施方式中，所述混合和/或破碎工具的旋转方向的方向矢量与所述挤出机的输送方向的方向矢量之间具有大于等于90°且小于等于180°的夹角，其中，该夹角在所述孔的相对于所述旋转方向或运动方向位于上游的边缘处在所述两个方向矢量的交点处、尤其是在该边缘上的或该孔的位于最上游的点处测得。这里所描述的是如下角度区域，即在该角度区域中，挤出机必须设置在容纳容器中，以便获得有利的效果。在所述孔的整个区域中或在所述孔的每个单个点上都会产生作用在材料上的力的至少略微的相反指向，或者说在极端情况下会产生压力中性的横向指向。在所述孔的任何一点上，混合工具和蜗杆的方向矢量的标积都不是正数，因此，即使在所述孔的一个部分区域中也不会出现过大的塞入效应。
在本发明的另一个有利的实施方式中，所述旋转方向或运动方向的方向矢量与所述输送方向的方向矢量之间具有位于170°和180°之间的夹角，该夹角在所述孔的中央在在所述两个方向矢量的交点处测得。例如当挤出机切向布置在切割压紧装置上时，这种设置方式就适合于这种布置。
为保证不出现过大的塞入效应，可以有利的设置，所述距离或所述纵轴线到径向线的偏置值大于或等于所述挤出机或所述蜗杆的外壳的内径的一半。
在这个意义上可以继续有利的设置，所述距离或所述纵轴线到径向线的偏置值大于等于所述容纳容器的半径的7%、更为有利的是大于等于所述容纳容器的半径的20%。对于具有加长的入料区域或开槽加料套或加宽的加料袋的挤出机来说有利的是，该距离或该偏置值大于等于所述容纳容器的半径。这尤其适用于挤出机切向连接在容纳容器上或者说与容器的横截面相切的情形。
尤其有利的是，所述挤出机或所述蜗杆的纵轴线或离所述入料口最近的蜗杆的纵轴线或所述外壳的内壁或所述蜗杆的包络线(Umhüllende)与所述容器的侧壁的内表面相切，其中，所述蜗杆优选在其端侧与驱动装置连接，在其对面端侧输送至在所述外壳的端侧设置的出口、尤其是挤出机头部。
对于径向偏置、但不是切向设置的挤出机来说有利的是，所述挤出机的纵轴线在与所述输送方向相反的方向上的想象延长线作为正割线至少部分地穿过所述容纳容器的内部空间。
有利的是，所述孔直接与所述入料口连接，中间没有较长的间距或转送段、如输送蜗杆。这样就可以实现高效并良好的材料传递。
在容器中旋转运行的混合和破碎工具的旋转方向千万不能随意或出于疏忽而反向，在公知的装置和在本发明所述的装置中都不能让混合工具简单地反向旋转，这尤其是因为混合和破碎工具是以某种方式非对称地或方向导向地设置，从而它只是作用在一侧上或在一个方向上作用。如果将这种工具故意在错误的方向上旋转，那么这样既无法获得良好的混合旋流，也无法对材料进行足够的破碎或加热。因此，每个切割压紧装置都具有其混合和破碎工具固定给定的旋转方向。
在此尤其有利的是，所述混合和/或破碎工具作用于所述塑料材料的、在旋转方向或运动方向上指向的前部区域或前部边缘与在旋转方向或运动方向上位于后部的或之后的区域不同地构造、弯曲、调整或设置。
在一种有利的设置方式中，在所述混合和/或破碎工具上设置刀具和/或刀，其在旋转方向或运动方向上对所述塑料材料起到加热、破碎和/或剪切的作用。刀具和/或刀可以直接固定在轴上或者优选设置在尤其与底面平行的可旋转的刀架或支撑盘上或设置在其中或在必要时一体式地成形于其上。
基本上所述的效果不仅对于强烈压缩性的熔化的挤出机或造块机是重要的，对于非压缩性的或只有很小压缩性的输送蜗杆同样重要。在这些装置中也可以避免局部的过度填料。
在另一个尤为有利的实施方式中，所述容纳容器基本上为圆柱体，其具有平的底面和与其垂直定向的圆柱壳形侧壁。当所述旋转轴线与容纳容器的中心中轴线重合时，结构尤为简单。在另一个有利的实施方式中，所述旋转轴线或所述容器的中心中轴线与所述底面垂直和/或法向定向。通过这些特殊的几何造型，可以在结构稳定简单的装置中实现入料性能的优化。
在此同样有利的是，所述混合和/或破碎工具或当设有多个彼此叠置的混合和/或破碎工具时最下侧离底面最近的混合和/或破碎工具以及所述孔与所述底面相隔较短距离，尤其是设置在所述容纳容器的高度的最下侧四分之一的区域中。在此，所述距离是从所述孔或者说所述入料孔的最下侧边缘到所述容器边缘区域中的容器底部确定并测量的。因为角部边缘大多数情况下都构造为圆形，所以所述距离是从所述孔的最下侧边缘沿着所述侧壁的想象延长线向下直到容器底部向外的想象延长线来测量的。较为合适的距离是10 mm至400 mm。
此外对于加工有利的是，所述混合和/或破碎工具的径向最外侧边缘延伸至紧密贴靠所述侧壁。
所述容器不必非要具有圆柱体形状，即使这个形状出于实际应用和制造技术方面的原因是有利的。不同于圆柱形的容器形状、如截锥形容器或具有椭圆形或卵形横截面的圆柱形容器要换算成具有相同容积的圆柱形容器，其中假设该想象的容器的高度与其直径相等。对于在此大大超过出现的混合旋流(顾及到安全距离)的容器高度不予考虑，因为该过高的容器高度并没有被利用，因此对于材料处理不再有影响。
在本申请中，“挤出机或压缩机”这个概念既理解为可以使材料完全或部分熔化的挤出机，如经典的三区蜗杆，也理解为只使软化的材料聚结而不熔化的挤出机。在聚结蜗杆中，材料只是短时间被强烈压缩剪切，而不被塑化。因此，聚结蜗杆在其出口处提供的是没有完全熔化、由仅仅在其表面上熔化的、类似在烧结过程中烧结在一起的颗粒构成的材料。但在上述两种情形下都通过蜗杆对材料施加压力，将其压实。
在下列附图中描述的实施例中都示出了具有唯一一个蜗杆的挤出机，如单轴挤出机或单蜗杆挤出机。替代性地也可以设置具有多于一个蜗杆的挤出机，如双轴或多轴挤出机或双轴或多轴挤出机，尤其是具有多个至少具有相同直径d的相同蜗杆的挤出机。
附图说明
从对本发明主题的下述不应被理解为限制性的实施例的描述中可以得到本发明的其他特征和优点，这些实施例在附图中只是示意性的示出，而不是严格按比例画出的。其中，
图1显示了具有大致切向相连的挤出机的本发明所述装置的纵剖图；
图2显示了图1所示实施例的水平切面图；
图3显示了具有最小偏移的另一个实施例；
图4显示了具有较大偏移的另一个实施例；
图5显示了总结了实验结果。
具体实施方式
容器、螺杆和混合工具本身及其相互比例关系在附图中都不是按比例的。因此，例如实际上容器在大多情况下都比这里所示的要大，螺杆都比这里所示的要长。
图1和图2示出的有利的用于制备或回收塑料材料的切割压紧装置和挤出机的组合设备具有圆柱形容器或切割压紧装置或破碎机1，其具有平的水平底面2和与其垂直定向的竖直圆柱壳形侧壁9。
在距离底面2较短的距离上，在侧壁9最多约10-20%、在必要时还可以更小的高度上(从底面2到侧壁9的最高边缘方向上测量)，设有与底面2平行定向的平的支撑盘或刀架13，该支撑盘或刀架13能够围绕中心旋转轴线10在用箭头12标出的旋转方向或运动方向12旋转，该中心旋转轴线10同时也是所述容器1的中心轴线。所述支撑盘13被马达21驱动，该马达21位于所述容器1的下方。在所述支撑盘13的上侧设有刀具或工具如切割刀具14，所述刀具与所述支撑盘13一起构成混合和/或破碎工具3。
如图示意性地示出，所述刀具14在所述支撑盘13不是对称设置，而是在其指向旋转方向或运动方向12的前端边缘22上被特殊构造、调整或设置的，以便能够对塑料材料施加特殊的机械作用。所述混合和破碎工具3的径向最外侧边缘一直延伸到相对接近所述侧壁9的内表面之处，大致相距为所述容器1的半径11的5%。
所述容器1在上侧具有入料孔，要被加工的物料、如塑料薄膜的碎片例如使用输送机构在所述箭头的方向通过该入料孔被投入。替代性地也可以将所述容器1设为封闭的，其至少可以排真空至技术真空，其中材料通过闸门系统加入。该物料被旋转的混合和/或破碎工具3抓住，并以混合旋流30的形式被旋起环绕运动，其中该物料沿着竖直的侧壁9升高，并且大致在有效容器高度H的范围内通过重力作用再次向内和向下落回到容器中央区域。所述容器1的有效高度H大致与其内径D相等。也就是说，在所述容器1中形成了混合旋流30，在该混合旋流30中，材料既从上向下运动，也在旋转方向12上旋转运动。因此，由于所述混合和破碎工具3或刀具14的特殊布置，这种装置只能在给定的旋转方向或运动方向12上运转，旋转方向12不能被轻易或不经任何附加改动而被颠倒过来。
加入的塑料材料被旋转的混合和破碎工具3破碎、混合，并在此过程中通过所加入的机械摩擦能被加热和软化，但其并未熔化。在所述容器1中停留一定停留时间之后，被匀化、软化、浆状、但未熔化的材料通过孔8从所述容器1中排出，进入挤出机5的入料区域中，在这里被蜗杆6抓住，接着被熔化。这个过程将在下文详述。
在本实施例中唯一一个混合和破碎工具3的高度上，在所述容器1的侧壁9中构造出所述孔8，被预处理的塑料材料能够通过该孔从所述容器1的内部排出。所述材料被转送给在切向上布置在所述容器1上的单蜗杆挤出机5，其中所述挤出机5的外壳16具有在其外壳壁上设置的、用于要被蜗杆6抓住的材料的入料口80。这种实施例的优点在于，所述蜗杆6能够从图中位于下部的端面端被只是示意性示出的驱动装置驱动，从而蜗杆6的图中位于上部的端面端能够不被所述驱动装置遮蔽。这样，用于被所述蜗杆6运送的塑化的或结块的塑料材料的出口就可以布置在该上部的端面端，如设置为未示出的挤出机头部的形式。塑料材料因此能够不转向而被所述蜗杆6通过出口运送，这在图3和图4所示的实施例中是不容易实现的。
所述入料口80与所述孔8之间存在材料运送连接或材料转送连接，在本实施例中，所述入料口80直接与所述孔8连接，中间没有较长的中间部件或间隔。只设有一段非常短的转送区域。
在所述外壳16中支撑有压缩蜗杆6，其可以围绕其纵轴线15旋转。所述蜗杆6和所述挤出机5的纵轴线15重叠。所述挤出机5在箭头17的方向上运送所述材料。所述挤出机5是公知的普通挤出机，软化的塑料材料中在其中被压缩从而熔化，之后熔体在对置侧上在挤出机头部上排出。
所述混合和破碎工具3或刀具14与所述挤出机5的纵轴线15几乎位于同一高度上或同一平面中。所述刀具14的最外端与所述蜗杆6的隔板之间具有足够的间距。
在图1和图2所示的实施例中，如上所述，所述挤出机5在切向上连接在所述容器1上，或者说所述挤出机5与其横截面相切。所述挤出机5或所述蜗杆6的中央纵轴线15在与所述挤出机5的输送方向17相反的向后方向上的想象延长线在图中从所述旋转轴线10旁经过，而不与其相切。所述挤出机5或所述蜗杆6的中央纵轴线15在出口侧与同所述纵轴线15平行的、从所述混合和/或破碎工具3的旋转轴线10在所述挤出机5的输送方向17上向外指向的容器1的径向线11错开距离18。在本实施例中，所述挤出机5的纵轴线15的向后指向的想象延长线没有穿过所述容器1的内部空间，而是刚好贴边经过。
所述距离18略大于所述容器1的半径。因此，所述挤出机5略向外偏置，或者说所述入料区域略深。
在此，“相反指向”、“反向”或“相反方向”这些概念应理解为矢量之间不为直角的指向，这将在下面详细解释。
换种说法就是，所述旋转方向12的方向矢量19与所述挤出机5的输送方向的方向矢量17的标积在所述孔8的每个单个点处或在径向紧邻所述孔8之前的区域中各处均是零或负数，而没有任何一处为正数，其中，所述旋转方向12的方向矢量19与所述混合破碎工具3的最外侧点的旋转圆相切指向或与在所述孔8划过的塑料材料相切指向，所述挤出机5的输送方向的方向矢量17在输送方向上与所述中央纵轴线15平行。
在图1和图2中的入料口中，所述旋转方向12的方向矢量19与所述输送方向的方向矢量17的标积在所述孔8的每个点处都是负数。
在所述孔8的相对于所述旋转方向12位于最上游的点20处或在所述孔8的位于最上游的边缘处测量的所述输送方向的方向矢量17与所述旋转方向19的方向矢量之间的夹角α几乎为最大值，大约为170°。
如果在图2中沿着所述孔8向下，也就是说在旋转方向12上向下，那么所述两个方向矢量之间的钝角夹角会越来越大。在所述孔8的中央处，所述方向矢量之间的夹角大致为180°，标积为最大负值，此处再往下的话，夹角甚至会大于180°，标积又会稍微变小，但总是为负值。但这个夹角不再被称为夹角α了，因为其不在点20处测得。
在图2中没有画出的、在所述孔8的中央或中间部分测量的所述旋转方向19的方向矢量与所述输送方向17的方向矢量之间的夹角β大致为178°至180°。
图2中示出的装置是第一种极端情况或极值。通过这种设置可以实现非常良好的塞入效果，或者说可以实现非常有利的喂料。这种装置尤其对于在熔融区域附近加工的敏感材料或长条状物料是有利的。
图2中实例性地画出了特征性的长度和部段L、A或B。但它们同附图中所示的其他特征一样只是示意性的，而不是按比例的或者说比例正确的，并且部分通过间断被示意性变短。在如图3和图4所示的实施例中没有画出这些长度和部段。
在该优选实施例中，蜗杆6的长度L与蜗杆6的额定直径d的比例为L/d=21，其中，蜗杆6的长度L从在所述蜗杆6的输送方向上位于下游的入料口80的边缘20'或从位于在该边缘20'上的、在所述蜗杆6的输送方向上位于最下游的点20测起直到位于所述蜗杆6的容器远端的远侧端部31处在所述外壳16中的最早的、在所述输送方向上位于最上游的出口30。
同样没有在该示意性附图中示出的所述蜗杆6的压缩性构造从大于所述蜗杆6的6倍直径d的距离A处才开始，其中，所述距离A从所述入料口80的边缘20'处测起。在所述蜗杆的压缩性构造开始前的区域中，所述蜗杆6基本上是无压缩的或非压缩的，也就是说对被蜗杆6抓住的材料不施加压力。
接着如所要求的那样，所述蜗杆6的压缩性构造开始，也就是从最大为所述直径d30倍的距离B处之前的区域中开始，其中，所述距离B从所述入料口80的边缘20'处测起。
图3和图4首要的目的是示出挤出机在旋转方向方面的连接可能性。L、B和A的值没有画出。
图3中示出了一个替代性的实施例，其中，所述挤出机5没有在切向上，而是以其端面侧7连接在所述容器1上。所述蜗杆6和所述挤出机5的外壳16在所述孔8的区域中与所述容器1的内壁的轮廓适配并齐平地回缩。所述挤出机5没有一个部分是通过所述孔8伸入到所述容器1的内部空间中。
所述距离18在此大致等于所述容器1的半径11的5%至10%和所述外壳16的半个内径d。该实施例因此是具有最小偏离或距离18的第二极限情况或极值，其中，所述混合和/或破碎工具3的旋转方向或运动方向12至少略微与所述挤出机5的输送方向17相反，并且是在所述孔8的整个平面上相反。
在图3中，所述标积在极值处的、位于最上游的点20处正好为零，所述点20位于所述孔8的位于最上游处的边缘。在图3中点20处所测得的所述输送方向的方向矢量17与所述旋转方向的方向矢量19之间的夹角α正好为90°。如果沿着所述孔8向下，也就是说在旋转方向12上向下，那么所述方向矢量之间的夹角会越来越大，会逐渐变成大于90°的钝角，同时，所述标积为负数。但在所述孔8的任何一点或任何一个区域中，所述标积均不为正数，或者说所述夹角均不小于90°。这样，即使在所述孔8的一个部分区域中也不会发生过度填料的情况，或者说在所述孔8的任何区域中都不会出现具有危害性的过高的塞入效应。
与完全径向的设置方式的决定性区别也正在于此，因为当所述挤出机5完全径向布置的时候，在点20处或在边缘20’会出现小于90°的夹角α，在所述孔8的在图中位于所述径向线11之上的区域或在其上游或入口侧的区域会出现正的标积。这样就会在这些区域中聚集部分熔化的塑料物料。
图4中示出了另一个替代性的实施例，其中，所述挤出机5在出口侧比图3中略微更多的偏置，但并没有像图1和图2中那样在切向偏置。在本实施例中以及在图3中，所述挤出机5的纵轴线15的向后指向的想象延长线都正割式穿过所述容器1的内部空间。这导致了所述孔8要比图3所示实施例中更宽(从所述容器1的周向测量)。所述距离18也相应地比图3中更大，但还是略小于半径11。在点20处所测的夹角α大约为150°，这样与图3所示的装置相比，塞入效应变小，这对某些敏感的聚合物是有利的。所述外壳16的由所述容器1出发所见的右侧内边缘或内壁切向连接到所述容器1上，这样，与图3不同的是，没有形成钝角的过渡边缘。在所述孔8的位于最上游的点(在图4中最左边)处，所述夹角大约为180°。

Claims (32)

1.用于预处理、接着塑化或聚结塑料的装置，其具有用于待处理材料的容器(1)，其中，在所述容器(1)中设置有至少一个可围绕旋转轴线(10)旋转的、环绕运行的混合和/或破碎工具(3)，该混合和/或破碎工具(3)用于混合、加热以及破碎所述塑料材料，
其中，在所述容器(1)的侧壁(9)中，在最下侧离底部最近的混合和/或破碎工具(3)的高度区域中或在最下侧离底部最近的混合和/或破碎工具(3)的区域中构造有孔(8)，被预处理的塑料材料能够通过所述孔(8)从所述容器(1)的内部排出，
其中，设有至少一个挤出机或压缩机(5)用于容纳所述被预处理的材料，其具有至少一个在外壳(16)中旋转压缩塑化或聚结的蜗杆(6)，其中，所述外壳(16)具有在位于其端侧(7)或其外壳壁中的、用于要被所述蜗杆(6)抓住的材料的入料口(80)，并且该入料口(80)与所述孔(8)相连，
其特征在于，
所述挤出机(5)或离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的中央纵轴线(15)在与所述挤出机(5)的输送方向(17)相反的方向上的想象延长线从所述旋转轴线(10)旁经过，而不与其相切，其中，所述挤出机(5)或所述离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的中央纵轴线(15)在出口侧或在所述混合和/或破碎工具(3)的旋转方向或运动方向(12)上与同所述中央纵轴线(15)平行的、从所述混合和/或破碎工具(3)的旋转轴线(10)在所述挤出机(5)的输送方向(17)上向外指向的容器(1)的径向线(11)错开距离(18)，
并且，所述蜗杆(6)的长度(L)与所述蜗杆(6)的额定直径(d)的比例为≥7，其中，所述蜗杆(6)的长度(L)从在所述蜗杆(6)的输送方向上位于下游的边缘(20')或从所述入料口(80)的位于最下游的点(20)测起直到所述蜗杆(6)的末端或直到位于所述蜗杆(6)的容器远端的远侧端部(31)在所述外壳(16)中最早的、在所述蜗杆(6)的输送方向上位于最上游的、用于熔体的出口(30)，
并且，所述蜗杆(6)的压缩性构造从大于所述蜗杆(6)的1.5倍直径(d)的距离(A)处才开始，其中，所述距离(A)从在所述蜗杆(6)的输送方向上位于下游的边缘(20')或从所述入料口(80)的位于最下游的点(20)处测起，
其中，所述蜗杆(6)的压缩性构造的起点理解为如下点，即在该点处，所述蜗杆(6)的螺旋角第一次≥1º，其中，在所述压缩性构造的起点之前的区域中，所述蜗杆(6)基本上是非压缩性的或减压性的，并且所述螺旋角<1º，其中，所述螺旋角是所述蜗杆(6)的中央纵轴线(15)或其平行线与由每个蜗杆螺距的相应最深点确定的直线或曲线之间的夹角。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置设置用于预处理、接着塑化或聚结用于回收目的的热塑性废弃塑料。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造从最大为所述直径(d)的30倍的距离(B)处之前的区域中开始，其中，所述距离(B)从所述入料口(80)的在所述蜗杆(60)的输送方向上位于下游的边缘(20')处测起。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造从最大为所述直径的20倍的距离(B)处之前的区域中开始。
5.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的长度(L)与所述蜗杆(6)的额定直径(d)的比例为≥10，其中，所述蜗杆(6)的长度(L)从所述入料口(80)的在所述蜗杆(6)的输送方向上位于下游的边缘(20')测起直到最早的出口(30)。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的长度(L)与所述蜗杆(6)的额定直径(d)的比例≥14。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造从大于所述蜗杆(6)的直径(d)的2倍的距离(A)处才开始，其中，所述距离(A)从所述入料口(80)的在所述蜗杆(6)的输送方向上位于下游的边缘(20')测起。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造从大于所述蜗杆(6)的直径(d)的3倍的距离(A)处才开始。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造的长度为所述蜗杆(6)的直径(d)的0.5-7倍。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)的压缩性构造的长度为所述蜗杆(6)的直径(d)的1-5倍。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，对于与所述容器(1)相连的挤出机(5)来说，所述旋转方向(19)的方向矢量与所述挤出机(5)的输送方向的方向矢量的标积在所述孔(8)的每个单个点处或在所述孔(8)的整个区域中或在径向紧邻所述孔(8)之前各处均是零或负数，其中，所述旋转方向(19)的方向矢量与所述混合和/或破碎工具(3)的径向最外侧点的旋转圆相切或与在所述孔(8)旁经过的塑料材料相切，并且与所述容器(1)的径向线(11)垂直，并且指向所述混合和/或破碎工具(3)的旋转方向或运动方向(12)。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述混合和/或破碎工具(3)的径向最外侧点的旋转方向(19)的方向矢量与所述挤出机(5)的输送方向的方向矢量之间具有大于等于90°且小于等于180°的夹角(α)，该夹角(α)在所述孔(8)的相对于所述混合和/或破碎工具(3)的旋转方向或运动方向(12)位于上游的入口侧边缘处在所述两个方向矢量的交点处测得。
13.如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述夹角(α)在所述入口侧边缘上的或该孔(8)的位于最上游的点(20)处测得。
14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转方向或运动方向(12)的方向矢量与所述挤出机(5)的输送方向的方向矢量之间具有位于170°和180°之间的夹角(β)，该夹角(β)在所述孔(8)的中央在所述两个方向矢量的交点处测得。
15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述距离(18)大于或等于所述挤出机(5)或所述蜗杆(6)的外壳(16)的内径的一半，并且/或者大于等于所述容器(1)的半径的7%，或者所述距离(18)大于或等于所述容器(1)的半径。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述距离(18)大于等于所述容器(1)的半径的20%。
17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挤出机(5)的中央纵轴线(15)在与所述输送方向相反的方向上的想象延长线像正割线一样相对于所述容器(1)的横截面布置，并至少部分地穿过所述容器(1)的内部空间。
18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挤出机(5)切向连接在所述容器(1)上或者说与所述容器(1)的横截面相切或者说所述挤出机(5)或所述蜗杆(6)的中央纵轴线(15)或离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的纵轴线或所述外壳(16)的内壁或所述蜗杆(6)的包络线与所述容器(1)的侧壁(9)的内侧相切。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)在其端侧(7)与驱动装置连接。
20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，所述蜗杆(6)在其对置的端侧上输送至挤出机头部。
21.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述孔(8)直接与所述入料口(80)连接，中间没有明显的间距。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述孔(8)直接与所述入料口(80)连接，中间没有转送段或输送蜗杆。
23.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述混合和/或破碎工具(3)包括刀具和/或刀(14)，其在旋转方向或运动方向(12)上对所述塑料材料起到破碎、剪切和/或加热的作用。
24.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述刀具和/或刀(14)构造或设置在可旋转的刀架(13)上或处。
25.如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述可旋转的刀架(13)与所述容器(1)的底面(2)平行设置。
26.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述刀具和/或刀(14)构造或设置在支撑盘(13)上或处。
27.如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述混合和/或破碎工具(3)或所述刀(14)作用于所述塑料材料的、在旋转方向或运动方向(12)上指向的前部区域或前部边缘(22)与在旋转方向或运动方向(12)上位于后部的或之后的区域不同地构造、调整、弯曲和/或设置。
28.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容器(1)基本上为圆柱体形，其具有平的底面(2)和与其垂直定向的圆柱壳形侧壁(9)，并且/或所述混合和/或破碎工具(3)的旋转轴线(10)与所述容器(1)的中心中轴线重合，并且/或所述旋转轴线(10)或所述中心中轴线与所述底面(2)垂直和/或法向定向。
29.如权利要求1所述的装置，其特征在于，最下侧的刀架(13)或最下侧的混合和/或破碎工具(3)和/或所述孔(8)设置得离底面较近，与所述底面(2)相隔较短距离。
30.如权利要求29所述的装置，其特征在于，最下侧的刀架(13)或最下侧的混合和/或破碎工具(3)和/或所述孔(8)设置在所述容器(1)的高度的最下侧四分之一的区域中。
31.如权利要求30所述的装置，其特征在于，最下侧的刀架(13)或最下侧的混合和/或破碎工具(3)和/或所述孔(8)设置得与所述底面(2)相距10 mm至400 mm。
32.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述挤出机(5)是具有唯一一个压缩蜗杆(6)的单蜗杆挤出机(6)或双蜗杆挤出机或多蜗杆挤出机，其中，各个蜗杆(6)的直径d彼此相等。
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