DD140223A5

DD140223A5 - Extruder

Info

Publication number: DD140223A5
Application number: DD78209473A
Authority: DD
Inventors: Peter Hold; Zehev Tadmor; Hans R Scharer
Original assignee: Usm Corp
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1978-12-01
Publication date: 1980-02-20
Also published as: GB2009028A; SE7812358L; GB2009028B; BR7807990A; DE2852046A1; ES475865A1; AU4202478A; IT7830463A0; BE872375A; JPS5486553A; US4152077A; LU80604A1; FR2410552A1; NL7811641A

Description

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Berlin,d.23.4,1979

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Extruder

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Bearbei tung thermoplastischer Materialien mit einem eine in seiner Längsausdehnung verlaufenden Bohrung versehenen Körper, mit einem Rotor, um den herum schraubenlinienförmig wenigstens ein Schneckenzahn verläuft, mit einer Zufuhröffnung am einen Ende des Körpers, über die das zu bearbeitende Material eingegeben wird und die mit der Bohrung in "Verbindung steht und mit einer Ausgabeöffnung am anderen Ende des.Körpers, durch die das bearbeitete Material extrudiert wird.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die physikalischen Eigenschaften und das Aussehen von Polyäthylen niedriger Dichte wird durch mechanische Scherbearbeitung des geschmolzenen Materials verbessert. Zusätze wie solche, die die Bearbeitung begünstigen, Stabilisatoren und Färbemittel werden gewöhnlich während der mechanischen Scherbearbeitung dem Material beigegeben. Historisch bedingt erfolgt diese Scherbearbeitung in Intensivmischern oder in kaltbeschickten Extrudern, indem das Material durch Einwirkung der Scherkräfte erneut geschmolzen wird. Da dieses Material ursprünglich als heiße Schmelzflüssigkeit erzeugt worden ist; setzt dieser erneute Schmelzprozeß zwischenzeitlich eine Formgebung, ein Abkühlen und ein Trocknen des ursprünglichen Materials voraus,.

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In der Vergangenheit sind schon eine Reihe von Versuchen gemacht worden, um die Leistungsfähigkeit der Extruder oder das Maß der Einwirkung auf das thermoplastische Material in einem Extruder zu verbessern* Zu diesen Versuchen gehörten Extruderschnecken mit Mehrfachzahnung oder Rotoren, die erste und zweite Kanäle aufweisen* Solche Rotoren sind in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilt, die der Homogeni-. sierung, dem Einziehen und dem Fördern des Materials dienen» Einer oder mehrere Kanäle in einem oder mehreren Abschnitten des Rotors weisen eine Absperrwand auf, die einen Gegendruck auf das Material ausübt, das bei der Längsbewegung durch den Extruder zwischen der äußeren Fläche des Rotors und der Wandung der Bohrung, die den Rotor umgibt _$ bearbeitet wird. Eine Maschine dieser Art ist in den DB-Patenten 3 411 179 und 3 850 414 beschrieben.

Die Scherwirkung dieser Maschinen wird durch den Gegendruck verbessert, der aufgrund der Absperrwände quer zu den Kanälen im Rotor zustande kommt_β Der Gegendruck beeinflußt jedoch die Wärmeabfuhrrate der Maschine und außerdem erfordern einige Arten von thermoplastischen Materialien in mehr oder wen!-· ger großem Umfang einen Gegendruck, eine Schermischbearbeitung und eine Homogenisierung oder Wärmeabfuhrraten als andere Arten von thermoplastischen Materialien·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, zu vermeiden, daß für jede Art eines thermoplastischen Materials ein besonderer Extruder benötigt wird·

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Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es_f einen homogenisierenden Extruder zu schaffen, der in der Lage ist, eine Vielzahl unterschiedlicher thermoplastischer Materialien, einschließlich Polyäthylen niedriger Dichte zu extrudieren, in dem sich bei ihm der Grad der Homogenisierung oder des Mischens bis zum Mzllwert ändern läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rotor wenigstens .eine im wesentlichen ringförmige um ihn herum verlaufende Absperrwand aufweist, die mit wenigstens einer Einsenkung versehen ist, über die ein Materialfluß möglich ist, und daß ein Absperrentlastungskanal sowie Mittel vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Rotor und die ringförmige Absperrwand bezüglich des Entlastungskanais verschoben werden können, so daß die Beeinflussung des zu bearbeitenden Materials sich variieren läßt* Der Absperrentlastungskanal ist als ringförmiger Kanal ausgebildet, der um die Bohrung des Körpers herum verläuft.

Der ringförmige Kanal liegt dabei in Längsrichtung innerhalb der axialen Verschiebestrecke der ringförmigen Absperrwand auf dem Rotor, so daß bei einer axialen Verschiebung des Rotors er in radiale Fluchtung mit der Absperrwand gebracht werden kann. Hierdurch wird wenigstens ein Teil des Widerstandes beseitigt, der dem Materialfluß zwischen der Wandung der Bohrung und dem Rotor entgegengesetzt ist»

Die Geometrie des ringförmigen Kanals ist in der Bohrung bezüglich der Längsachse unsymmetrisch.

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Der Rotor ist in der Bohrung axial stufenweise verschieblich, so daß der erwähnte Gegendruck, der durch die Absperrwände an bestimmten Stellen zwischen benachbarten Schneckenzähnen bedingt ist, gesteuert, verringert oder gar zu Hull gemacht werden kann. Die Kanäle bilden einen Entlastungskanal für das thermoplastische Material um die Absperrwände herum. Das bedeutet, daß sie ein Verändern der Bearbeitungsintensität für ein und dasselbe thermoplastische Material oder für verschiedene Arten desselben gestatten, ohne daß zwischenzeitlich größere Überhol- oder Änderungsarbeiten an der Maschine vorgenommen zu werden brauchen. Die Struktur der Bohrung und ihre Anpassung an eine in axialer Richtung verschiebbare Extruderschnecke bzw. einen Rotor, der mit einen Gegendruck bedingenden Absperrwänden versehen ist, ermöglicht eine große Variationsbreite der Kunststoffbearbeitungseigenschaften.

Ausführungsbe i spiel

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen: ·

Fig. 1: die teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungs-

. .. gemäßen Extruders; .

Fig. 2% in vergrößerter Darstellung einen Teil der Fig. 1; Fig. 3s einen Schnitt längs der Linien III-III in Fig..2 und Fig. 4i einen Schnitt längs der Linien IVrIV in Fig. 2,

In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist ein Extruder 10 dargestellt. Dieser Extruder weist einen Körper 12 auf, der mit einer Bohrung 14 versehen ist, die.sich in dessen Längsrichtung erstreckt, Eine Schnecke bzw« ein Rotor 16 ist innerhalb der Bohrung 14 drehbar gelagert. Der Körper 12 ist

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außerdem mit Bahnen 18 für die dem Wärme transport dienende Flüssigkeit versehen, die in der Nachbarschaft der Bohrung 14- verlaufen und einen bestmöglichen Wärmetransport gewährleisten·

Der Rotor 16 ist so eingerichtet, daß er durch einen Motor 20 über ein Getriebe 24 angetrieben werden kann. Ein am Zufuhrende des Körpers 12 angeordneter Binführtrichter 30 stellt eine Verbindung mit der Bohrung 14 durch, eine Zufuhröffnung 32 dar. Das in den Einführ trichter 30 gegebene Material fällt in die Bohrung 14, um durch den Rotor 16 durch sie hindurch bis zum Ebctruderkopf 34 weiter bewegt zu werden, der gewöhnlich eine Ausgabeöffnung 36 aufweist, über die das bearbeitete Material an eine Empfangseinrichtung abgegeben wird, die hier nicht dargestellt ist.

Der Körper 12 und der Rotor 16 des Extruders 10 bestehen aus einer Mehrzahl einzelner Abschnitte zu denen im vorliegenden Beispiel ein Zufuhr- und Pumpabschnitt 50, ein erster Homo? genisierungs- (Misch-) Abschnitt 60, ein zweiter Eomogenisierungs-(Misch-) Abschnitt 70, ein dritter Homogenisierungs-(Misch-) Abschnitt 80 und ein Abschlußpumpabschnitt 90 gehören. Der Zufuhr- und Pumpabschnitt 60 umfaßt gewöhnlich denjenigen Teil des Körpers 12 und des Rotors, der sich vom hinteren Ende des Rotors 16 und des Körpers 12 bis zu einem Punkt der Bohrung 14 erstreckt, der beträchtlich vor dem Einfülltrichter 30 liegt. Der Rotor 16 ist mit einem öder mit mehreren ersten Schneckenzähnen 52 versehen, die spiralförmig um ihn herum über seinen Zufuhr- und Pumpabschnitt 50 hinweg verlaufen. Rotor 16 und erste Schneckenzähne 52 haben die Aufgabe das in den Einführtrichter 30 gegebene Material, wie beispielsweise geschmolzenes oder halbgeschmolzenes

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thermoplastisches Material, in Form von beispielsweise Polyäthylen, aufzunehmen und zu den Homogenisierungsabschnitten 60, 70 und 80 des Extruders 12 weiter zu pumpen, woraufhin es in ähnlicher Weise weiterverarbeitet wird, wie dies in dem oben erwähnten US-Patent 3 850 414, auf das hier bezug genommen wird, angegeben ist·

Die Homogenisierungs- (Misch-) Abschnitte 60, 70 und 80 enthalten wenigstens drei oder vier Schneckenzähne, im vorliegenden Beispiel sind es drei, die mit 62, 64 und 66 bezeichnet sind und die wenigstens zwei Kanäle begrenzen, nämlich, wie in' den Fig. 2 und 4 gezeigt, einen ersten Kanal 68 und einen zweiten Kanal 72· Während das Material sich der Bohrung 14 entlang bewegt, gelangt es in den ersten Kanal 68 des Homogenisierungsabschnittes 60. Innerhalb dieses Kanals entsteht im thermoplastischen Material ein Druck aufgrund der Drehbewegung des Rotors 16 und da dieser erste Kanal 68'für alle in der Praxis vorkommende Fälle am Ende des betreffenden Abschnittes durch einen King 74 versperrt ist. Der Ring 74 ist von Kreisringform, wobei über ihn wenigstens eine Absperrwand 76 da verläuft, wo er jeweils den zweiten Kanal 72 des Rotors quert, über die das Material in gedrosseltem Fluß in den. zweiten Kanal 72 gelangen kann. Die Absperrwand 76 des Ringes 74 ist in Fig. 2 in .Draufsicht und in Fig. 3 in Schnittdarstellung gezeigt. Der Druck, der innerhalb des ersten Kanals 68 aufgrund des Ringes 74 entsteht, führt zu einem Druckgefälle bezüglich des zweiten Kanals.72. Das Material fließt daher über den Schneckenzahn 64, der den ersten Kanal 68 vom zweiten Kanal 72 trennt, da dieser Schneckenzahn 64 zwischen den beiden Kanälen einen größeren lichten Raum zu der Wandung der Bohrung 14 hat.

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Das Ausmaß an Scherbeanspruchung, das erforderlich, ist, um das zu bearbeitende Material zu homogenisieren, (beispielsweise Polyäthylen geringer Dichte) ist maßgebend für die Anzahl von Schneckenzähnen und die Anzahl der Kanäle und Homogenisierungsabschnitte, die sich auf dem Eotor 16 befinden. Das Ausmaß an Scherbeanspruchung, das in jeweils in einem der Homogenisierungsabschnitte 60, 70 oder 80 hervorgerufen werden kann, wird durch die Fähigkeit der Wärmetransportbahnen 18, eine ausreichende Kühlung herbeizuführen, bestimmt. Der Wärmeaustausch zwischen dem zu bearbeitenden thermoplastischen Material und dem Kühlmedium, das in den Wärmeaustaus-chbahnen fließt, wird durch Verwendung eines Rotors mit wenigstens drei oder vier schraubenlinienförmig um ihn herum verlaufenden Schneckenzähnen verbessert, wie vorstehend erwähnt, wodurch die Frequenz, mit der die Wandung der Bohrung 14· von Material freigeschabt wird, sich erhöht. Die Scherrate, d.h. die Rate, mit der das Material durch-Scherung deformiert wird, hängt von der Geometrie des Rotors 16, der Geschwindigkeit desselben und dem Rückstau ab, der durch den Ring 74 an den Enden der einzelnen Homogenisierungsabschnitte hervorgerufen wird. Der durch den Ring 74 bedingte Rückstau ist von der Ausnehmung bzw. der Form der quer zum Ring verlaufenden Absperrwände 76 und.vom Abstand zwischen Ring und Wand der Bohrung 14 abhängig. Die Form der Absperrwand kann derart errechnet werden, daß sich ein Gleichgewicht zwischen der Kühlkapazität (Wärmeabfuhrfähigkeit) und der Arbeitsleistung (Scherprozeß) die im Material, aufge-r bracht wird, einstellt, so daß sich eine Optimierung ergibt. Der lichte Raum über dem Schneckenzahn 64 zwischen dem ersten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 72 beeinflußt das Material, wenn es in den Homogenisierungsabschnitten diesen Schneckenzahn überquert. Die Tiefe des ersten Kanals 68 und des zweiten Kanals 72 kann gegenüber der Darstellung in Fig. 4, wo

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sie etwa gleich groß ist, so verändert sein, daß der Mate-• rialaustauseh. zwischen den Kanälen noch weiter verbessert wird. Bei der Bearbeitung von Polymeren wie z.B. Polyäthylen mit niedriger Dichte ist jedoch.eine vollständige Homogenisierung nicht wünschenswert bzw. nicht notwendig. Aus diesem Grund weist die Bohrung 14 beim Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von ringförmigen Rillen 84 auf, die um sie herum verlaufen und von denen in Fig. 2 lediglich eine dargestellt ist. Die ringförmigen Kanäle 64 können symmetrisch zur Längsachse der Bohrung 14 verlaufen, müssen es aher nicht. Eine nicht-symmetrische Absperrwand bewirkt eine graduelle Zunahme bzw. Abnahme in dem Entlastungskanal« Jeder der ringförmigen Kanäle 84 ist in Längsrichtung von einem der Ringe 74 um eine bestimmte Strecke·beabstandet. Der Rotor 16 kann zusätzlich um eine bestimmte Strecke in axialer Richtung mit Hilfe eines Getriebemechanismus 86 bewegt werden, der dem.Motor 20 und dem Getriebe 24, das mit ihm gekoppelt ist, zugeordnet ist. Das Ausmaß der axialen Lageveränderung des Rötors._16 reicht aust um wenigstens einen der ringförmigen Kanäle 84 und wenigstens einen der Ringe 74 in gegenseitige radiale Fluchtung zu bringen. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ringen 74 und aufeinanderfolgenden Kanälen 84 kann verschieden groß sein, so daß wahlweise oder aufeinanderfolgende Entlastungswege der Ringe 74 für die entlang bewegte Masse entstehen, . .

Die axiale Lageverschiebung des Rotors gestattet es dem Homogenisierungsextruder 10 mit verringerter Leistung zu arbeiten j so daß das Material überhaupt nicht oder nur unvollständig homogenisiert wird. Indem der Rotor 16 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung nach links bewegt wird, gelangen

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der Ring 74 und die auf ihm befindliche Absperrwand 76 in eine Stellung, die radial gegenüber der Rille bzw. dem ringförmigen Kanal 84 liegt, so daß der dem Durchfluß entgegengesetzte Widerstand (und damit die Scherwirkung) verringert oder ganz beseitigt werden, was vom Ausmaß der axialen Lagevers chiebung abhängt«

Material hoher Viskosität, das für einige Produkte nicht homogenisiert zu werden braucht, kann im Extruder 10 bei axial verschobenem Rotor 16 bearbeitet werden, so daß die Misch- und Homogenisierungswirkung beseitigt oder verringert wird, und keine hohen Drucke in der Extruderhohrung 14 und hohe Temperaturen im zu bearbeitenden Material entstehen, was ohne die erfindungsgemäßen Maßnahme eine Verringerung des Ausstoßens und damit der Effizienz der Maschine 10 erforderlich machen würde.

Die Erfindung stellt also einen effizienten Extruder dar, bei dem der Homogenisierungsgrad des bearbeiteten thermoplastischen Materials veränderlich ist. Dies geschieht durch Verwendung eines Rotors bzw. einer 'Schnecke in der Bohrung des Extruders, die dem Materialdurchgang bestimmte Widerstände entgegensetzt und durch Ausgestaltung der Bohrung der Maschine mit um sie herum verlaufenden ringförmigen Kanälen in Verbindung mit der Möglichkeit der axialen Verschiebung des Rotors, um Entlastungswege für das zu bearbeitende Material zu beschränken. Der Extruder erhält dadurch die Fähigkeit, ein breites Spektrum von thermoplastischen Materialien in sehr wirtschaftlicher und effizienter Weise zu mischen und zu extrudieren.

Claims

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1, Extruder zur Bearbeitung thermoplastischer Materialien mit einem eine in seiner Längsausdehnung verlaufenden Bohrung versehenen Körper, mit einem Rotor, um den herum schraubenlinienförmig wenigstens ein Schneckenzahn verläuft, mit einer Zufuhröffnung am einen Ende des Körpers, über die das zu bearbeitende Material eingegeben wird und die mit der Bohrung in Verbindung steht und mit einer Ausgabeöffnung am anderen Ende des Körpers, durch die das bearbeitete Material extrudiert wird, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor (16) wenigstens eine, im wesentlichen ringförmige, um ihn herum verlaufende Absperrwand (74} 76) aufweist, die mit wenigstens einer Einsenkung versehen ist, über die ein Materialfluß möglich ist.,, und daß ein Absperrentlastungskanal (84) sowie Mittel (86) vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Rotor (16) und die ringförmige Absperrwand (74; 76) bezüglich des Entlastungskanals (84) verschoben werden können, so daß die Beeinflussung des zu bearbeitenden Materials sich variieren läßt,

2. Extruder nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Absperrentlastungskanal (84) als ringförmiger Kanal ausgebildet ist, der um die Bohrung (14) des Körpers (12) herum verläuft,

3· Extruder nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß der ringförmige Kanal (84) in Längsrichtung innerhalb der axialen Verschiebestrecke der ringförmigen Absperrwand (74i 76) auf dem Rotor (16) liegt, so daß"bei einer axialen Verschiebung des Rotors (16) er in radiale Pluchtung mit der Absperrwand (74; 76) gebracht werden kann, so daß

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wenigstens ein Teil des Widerstandes beseitigt wird, der dem Materialfluß zwischen der Wandung der Bohrung (14) und dem Rotor (16) entgegengesetzt ist. .

4, Extruder nach Punkt 3 t gekennzeichnet dadurch, daß die Geometrie des ringförmigen Kanals (84) in der Bohrung (14) bezüglich der Längsachse unsymmetrisch ist.

5« Extruder nach Punkt 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotor (16) in der Bohrung (14) stufenweise axial verschiebbar ist, um eine definierte Änderung des Widerstandes zu erzielen, die dem Materialfluß zwischen der Absperrwandung (74; 76) des Rotors (16) und der Wand der Bohrung (14) im Maschinenkörper entgegengesetzt wird.

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