CN103958141A - 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，所述容器(1)的直径D与所述蜗杆(6)的直径d具有如下关系：D=10·，其中，D为毫米为单位的所述容器(1)的内径，d为毫米为单位的所述蜗杆(6)的直径，并且K为常数，该常数处在60至180的范围中。

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，因为所要处理的物料的一部分在容器中停留的时间要比其他部分长。通过将容器中的填充重量除以蜗杆单位时间的排出量可以得到材料在容器中的平均停留时间。但如上所述，该平均停留时间通常对于所要处理材料的大部分都不适用，实际上会出现无规则的大幅向上或向下偏离该均值的情况。这种偏离情况是由于陆续输入到容器中的物料部分具有不同的品质，例如是由于塑料材料、例如薄膜残余物等等的不同品质或不同硬度，也可能是由于出现不可控的偶然性事件。
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。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，也就是说，存在塑料材料的分子链被损坏的危险。另一个缺点在于，蜗杆及其外壳的磨损会加大，尤其是在加工循环利用材料时，在该材料中含有的杂质如磨料颗粒、金属部件等等会加大这种磨损，它们会严重磨损蜗杆或其支撑装置的彼此邻接引导的金属部件。
无论是在运转缓慢、深切的蜗杆(螺纹深度大)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。
首先尝试通过相对于蜗杆的直径增大切割压紧装置的直径来解决该问题。通过将容器增大到比通常的尺寸大，可以使在容器中经过预处理的塑料材料在机械和热量方面的均匀性得到均匀化。其原因在于，与通常存在的条件相比，不断加入的未经处理的“凉的”材料部分与在容器中已经被部分加工的材料数量的质量比较小，塑料材料在容器中的停留时间得到显著提高。质量比减小有利于从容器中进入到蜗杆外壳中的材料的在机械和热量方面的均匀性，因此会直接影响到在挤出机蜗杆或造块蜗杆的末端处塑料制品或结块物的质量，因为已经向蜗杆提供了在机械和热量均匀性方面至少近似相同的物料，由此不必通过蜗杆来获得这种均匀性。被加工的塑料材料在容器中的理论停留时间是几乎恒定的。此外，与已知的设备相比，这种具有增大容器的设备在物料加入的准确性方面的可操作性也更加不敏感。
这种设备基本上能够良好地装入并且是有优势的。但具有较大直径如1500mm或更大直径的容器或切割压紧装置以及更长停留时间的设备尽管具有较好的功能，并且其生产的循环利用材料具有较高质量，但这种设备在占地面积和效率方面并不是很好，并且会散发大量热量。
此外，这些已知装置还具有的共同点是，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或输送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或蜗杆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。
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，所述输送机、尤其是挤出机(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)的纵轴线在与所述输送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，所述输送机(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输送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输送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和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输送机的进料区域中，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。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输送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。由切割压紧装置和输送机构成的整个系统由此变得更稳定、效率更高。
此外，申请人通过实验还发现并认识到，容器的直径D可以以令人惊奇的程度减小，而不会造成质量下降或较长的停留时间。所述容器的直径D与所述蜗杆的直径d具有如下关系：
D=10·                                               ，
其中，D为毫米为单位的圆柱形容器的内径或是换算为相同容积的具有相同高度的假想的圆柱形容器的以毫米为单位的内径，
d为毫米为单位的所述蜗杆或离所述入料口最近的蜗杆的在入料口区域中测得的平均直径，并且
K为常数，该常数处在60至180的范围中。
由切割压紧装置和输送机构成的系统的这种特殊设计使得也可以使用具有较小直径的容器或切割压紧装置，即使停留时间较短也可以实现较高的物料通过效率和较高的物料排出量，这是与目前的预期正好相反的。
混合工具相反的旋转方向使得蜗杆具有良好的入料性能，这样就可以在切割压紧装置中使用对材料施加更多能量的更强大的工具。这样就缩短了材料在切割压紧装置中的平均停留时间。切割压紧装置可以在更高的温度下工作，而这又改善了均匀性。因此，在具有较小直径和较短停留时间的容器中也能够对材料进行较好的制备。
此外，出人意料的是，切割压紧装置和挤出机的这种组合使得材料在连接的挤出机中更高效的熔化。这样就弥补了各种不均匀性，由容器进入到蜗杆外壳中的、接着被压缩和熔化的材料就具有较高的热量和机械方面的均匀性。相应地，在挤出机蜗杆或结块蜗杆终端处的塑料制品或结块物的最终质量很高，这样就可以使用蜗杆，由于预处理和入料，蜗杆可以对聚合物进行良好处理，只需对材料施加很小的剪切力就可以使其熔化。
实例：
为了对比并证明技术效果，将现有技术中公知的一种由切割压紧装置和挤出机构成的组合装置(A)与类似的本发明所述的装置(B)对比，其中，现有技术中的该组合设备包括具有较大直径、即大K值的容器或切割压紧装置，其中混合和破碎工具的旋转方向为同向，而本发明所述的装置如之后的图1和图2所示，包括具有位于所要求保护范围内的较小K值的切割压紧装置以及相反的旋转方向。在此用这两种装置加工聚乙烯薄膜，其平均熔体指数(MFI)为0.9，平均薄膜厚度s为60μm，在切割压紧装置中的平均物料重量Sg为0.280kg/dm3。
装置A(现有技术)
例如对于通常构造形式的系统得到如下数值：
容器直径                                           D=1100mm
容器高度                                            H=1100mm
蜗杆直径                                           d=80mm
蜗杆长度                                           l=1760mm
容器中制备的物料(薄片)                 Zi=49kg
挤出机出料量                                   Ea=355kg/h
工具旋转方向                                   同向
由此计算出理论停留时间为Zi:Ea=49:355=8.3min。上述通常构造形式相当于K=207。
装置B(本发明)
在其他构造方式相同的条件下，将容器直径和容器高度分别缩小到1000mm，改变工具的旋转方向(如图1和图2所述装置的设计方式)，得到如下结果：
容器直径                                           D=1000mm
容器高度                                           H=1000mm
蜗杆直径                                           d=80mm
蜗杆长度                                           l=1760mm
容器中制备的物料(薄片)                 Zi=36.8kg
挤出机出料量                                   Ea=389kg/h
工具旋转方向                                    反向
由此计算出材料在容器中的理论停留时间为5.7min。根据上述公式，这种构造形式相当于K=156。
尽管停留时间明显变短，容器直径大约缩小10%，但在蜗杆转速相同以及最终材料的最终质量都很好的条件下，出料量惊人地提高了大约20%。
这可以从下表以及图5所示图表中看出：
  标准化压缩程度 0.71 0.79 0.83 0.88 0.92 0.95 1.00 1.03 1.05
标准化物料通过量 装置A 0.30 0.38 0.50 0.68 0.79 0.89 1.00 0.90 0.68
标准化物料通过量 装置B 0.68 0.76 0.88 0.98 1.11 1.16 1.21 1.23 1.23
位于下面的曲线描述的是公知装置A取决于温度或现有技术中标准化的压缩程度的标准化物料通过量。当压缩程度为0.71，切割压紧装置中的温度为约75°C时，该装置可以达到最大物料通过量的约30%。当压缩程度为1，温度为大约105°C时，也即是在最优使用范围中，该装置可以达到其最大物料通过量的约100%。在此之后曲线急剧下降。本发明所述装置B的位于上面的曲线则不同。当温度相近时，装置B的物料通过量始终较高。当压缩程度为1，温度为大约105°C时，物料通过量要大约高20%。
因此，本发明所述的装置工作更快，工作效率更高，而且占用较少空间。
当装置B的K值为156时，对于给定的通常的蜗杆直径d(单位为mm)，通过上述公式得出如下容器直径D(单位为mm)：
蜗杆直径d(mm)                                容器直径D(mm)
   50                                                                731
   85                                                                1040
   105                                                              1198
   120                                                              1310
   145                                                              1486
如果要进一步提高上述由切割压紧装置和挤出机构成的组合装置的出料量或效率，那么可以在挤出机大小相同、即蜗杆直径相同的情况下增大蜗杆的螺纹深度，提高蜗杆的转速，而不会让在蜗杆中的所加工的材料受到更大的剪切力作用。这种效果还通过反向旋转的混合和破碎工具保护性的入料得到进一步增强。这意味着，塑料制品的熔融温度降低，从而也降低了制备过程的总能量需求。这尤其对于处理热量上不稳定的热塑性塑料是尤为重要的。
增大容器高度(在直径不变的条件下)尽管会增大容器的容积，但在实际应用中并不会改善所加工材料的质量。其原因在于，由于在容器中环绕运转的工具，形成了一种环绕运转的物料形式(混合旋流)，其不能超过一定的高度(有效高度)，也就是说，沿着容器壁环绕运转的塑料材料在达到最高高度之后又向内向下落回容器中央区域。因此通常选择容器高度与容器直径相同。
本发明的其他优选实施方式通过下述特征来描述：
当常数K处在90至170的范围中时，装置的工作尤其有利。在K为这些值以及随之确定的容器尺寸和停留时间的条件下，工具可以尤为高效地将材料传递给输送机，容器尺寸、停留时间、入料性能或物料通过量以及最终产品质量的彼此部分反向作用的特征得到很好的平衡。
在本发明的一个有利的改进实施方式中，输送机设置在容纳容器上，使得方向矢量(旋转方向的方向矢量)与所述输送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输送机或蜗杆的纵轴线。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输送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，输送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。例如当输送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输送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5%或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输送机来说有利的是，该距离或该偏置值大于等于所述容纳容器的半径。这尤其适用于输送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。
所述蜗杆的最外侧螺纹优选不伸入所述容器。
尤其有利的是，所述输送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、但不是切向设置的输送机来说有利的是，所述输送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压缩性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10mm至400mm。
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。
在此尤为有利的是，最下侧混合和/或破碎工具的径向最外侧点到容器侧壁的内表面的距离A或该点的旋转圆到容器侧壁的内表面的距离A大于等于20mm，尤其在≥20mm和60mm之间。这样可以获得尤为高效且良好的入料性能。
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，“输送机”这个概念既理解为具有非压缩性或减压蜗杆、即单纯的输送蜗杆的设备，也理解为具有压缩性压蜗杆、即有结块或塑化作用的挤出蜗杆的设备。
在本申请中，“挤出机或挤出蜗杆”这个概念既理解为可以使材料完全或部分熔化的挤出机或蜗杆，也理解为只使软化的材料结块而不熔化的挤出机。在结块蜗杆中，材料只是短时间被强烈压缩剪切，而不被塑化。因此，结块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输送机，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输送机，如双轴或多轴输送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的相同蜗杆的输送机。
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。
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总结了试验的结果。
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在出口侧在旋转方向12上与同所述纵轴线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与所述混合和/或破碎工具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20’。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°。
为了在所有这些容器挤出机组合设备中能够为在所述容器1中对塑料材料进行预破碎、预烘干和预热而在塑料停留时间方面获得最佳条件，所述容器1的直径D与所述蜗杆6的外径d具有如下关系：D=10·，其中，D为毫米为单位的所述容器1的直径，d为毫米为单位的所述蜗杆6的直径，K为常数，该常数处在60至180的范围中。
如前所述，所述容器1的内径D与所述蜗杆6的直径d之间的特殊比例关系可以在材料平均停留时间较短的情况下保证，即使所要处理的物料对于这种处理较为困难、如具有不同性能(厚度、尺寸等等)的薄膜残留物，也总是会有具有足够恒定的热量和机械方面性能的材料进入到所述外壳16的入料孔80中。所述混合和/或破碎工具3通过其相对于所述蜗杆6的输送方向特殊的旋转方向可以良好地将材料送入所述挤出机5中，从而保证在物料通过量较大的情况下可以获得均匀的熔体。

Claims (15)

1.用于预处理、接着输送、塑化或聚结塑料、尤其是用于回收目的的热塑性废弃塑料的装置，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、加热以及必要时破碎所述塑料材料，
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)，所述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，设有至少一个输送机(5)、尤其是挤出机(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)中旋转的、尤其是塑化或聚结的蜗杆(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，
所述输送机(5)或离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的中央纵轴线(15)在与所述输送机(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，所述输送机(5)或所述离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的纵轴线(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)在所述输送机(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，所述容器(1)的直径D与所述蜗杆(6)的直径d具有如下关系：
D=10·                                                ，
其中，
D为毫米为单位的圆柱形容器(1)的内径或是换算为相同容积的具有相同高度的假想的圆柱形容器的以毫米为单位的内径，
d为毫米为单位的所述蜗杆(6)或离所述入料口(80)最近的蜗杆(6)的直径，并且
K为常数，该常数处在60至180的范围中。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述常数K处在90至170的范围中。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述在最下侧的混合和/或破碎工具(3)的径向最外侧点或该点的旋转圆与所述容器(1)的侧壁(9)的内表面之间的距离A大于等于20mm，尤其在≥20mm和60mm之间。
4.如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，对于与所述容器(1)相连的输送机(5)来说，所述旋转方向(19)的方向矢量与所述输送机(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)。
5.如权利要求1至4之一所述的装置，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)的方向矢量与所述输送机(5)的输送方向的方向矢量(17)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(17，19)的交点处、尤其是在该边缘上的或该孔(8)的位于最上游的点(20)处测得。
6.如权利要求1至5之一所述的装置，其特征在于，所述旋转方向或运动方向(12)的方向矢量(19)与所述输送机(5)的输送方向的方向矢量(17)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(17，19)的交点处测得。
7.如权利要求1至6之一所述的装置，其特征在于，所述距离(18)大于或等于所述输送机(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%、优选大于等于所述容器(1)的半径的20%，或者所述距离(18)大于或等于所述容器(1)的半径。
8.如权利要求1至7之一所述的装置，其特征在于，所述输送机(5)的纵轴线(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。
9.如权利要求1至8之一所述的装置，其特征在于，所述输送机(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输送机(5)或所述蜗杆(6)的纵轴线(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(Umhüllende)与所述容器(1)的侧壁(9)的内侧相切，其中，所述蜗杆(6)优选在其端侧(7)与驱动装置连接，在其对置的端侧上输送至在所述外壳(16)的端侧设置的出口、尤其是挤出机头部。
10.如权利要求1至9之一所述的装置，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，尤其是没有转送段或输送蜗杆。
11.如权利要求1至10之一所述的装置，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、剪切和加热的作用，其中，所述刀具和/或刀(14)优选构造或设置在尤其与所述底面(2)平行设置的可旋转的刀架(13)、尤其是支撑盘(13)上或处。
12.如权利要求1至11之一所述的装置，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。
13.如权利要求1至12之一所述的装置，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。
14.如权利要求1至13之一所述的装置，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，尤其是设置在所述容器(1)的高度的最下侧四分之一的区域中，优选设置得与所述底面(2)相距10mm至400mm。
15.如权利要求1至14之一所述的装置，其特征在于，所述输送机(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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