DD262188A1 - Schnecke fuer einschneckenpresse zur verarbeitung von polymerwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schnecke fuer Einschneckenpressen zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, insbesondere von zusammengesetzten Polymerkompositionen. Solche Einschneckenpressen koennen sowohl als Extruder wie als Spritzeinheiten fuer Spritzgiessmaschinen eingesetzt werden. Eine erfindungsgemaesse Schnecke weist zumindest einen zylindrischen oder kegelfoermigen Abschnitt auf, dessen Mantelflaeche mit axial verlaufenden Sperr- und Ueberlaufstegen sowie einer geraden Anzahl von Nuten zwischen den Stegen, deren Enden abwechselnd in Auslauf- und in Einlaufrichtung geschlossen sind, versehen ist. Die Nuten weisen eine am geschlossenen Ende bezueglich des Ueberlaufsteges fast auf Null auslaufende und zum offenen Ende hin sich allmaehlich vergroessernde Tiefe auf, wodurch ein Materialstau in die Einlaufnuten und eine Stroemungsungleichmaessigkeit entlang der Ueberlaufstege zu den Auslaufnuten sowie die Bildung von toten Ecken verhindert wird. Im Falle des erfindungsgemaessen kegelfoermigen Abschnittes wird eine Einschneckenpresse geschaffen, die ein aus mindestens zwei Abschnitten bestehendes Gehaeuse aufweist, wobei ein mit entsprechend kegelfoermiger Innenwand versehener Gehaeuseabschnitt ueber eine zylindrische Verlaengerung der Innenwand auf einer zylindrischen Stufe eines anderen Gehaeuseabschnittes eingeschoben wird, so dass eine dichte Verbindung zwischen den axial zueinander verschiebbaren Gehaeuseabschnitten entsteht, wodurch eine definierte Veraenderung (bzw. Einstellung) der Spaltweite zwischen kegelfoermiger Innenwand und Sperr- bzw. Ueberlaufstege ermoeglicht wird. Fig. 2

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnecke für Einschneckenpressen zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, insbesondere von zusammengesetzten Kompositionen, die zumindest einen zylindrischen oder kegelförmigen Abschnitt aufweist, der zu einer Verbesserung von Piastizier-, Dispergier- und Homogenisiereffekten durch eine definierte Intensivierung der Scher-Misch-Wirkung führt.

Derartige Schnecken dienen nicht nur zu einer Erhöhung von Dispersität (Zerteilung disperser Phasen, Zerstörung von Feststoffagglomeraten ect.) und Gleichmäßigkeit der Phasenverteilung sondern auch zur Erzielung bzw. nicht Beeinträchtigung definierter Dispersitäten. Somit bilden derartige Schnecken besondere Vorteile bei der Verarbeitung schlagzäher sowie transparenter mehrphasiger Polymersysteme. Sie dienen auch zur Behebung von Inhomogenitäten infolge molekularer Polydispersität, die im fertigen Erzeugnis als sogenannte „Stippen", „Fischaugen" oder „Gele" erscheinen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Beim Aufbereiten und Verarbeiten von Polymerwerkstoffen, insbesondere von zusammengesetzten Polymerkompositionen auf Einschneckenpressen, stellt die Gewährleistung einer hohen Effektivität von Piastizier-, Dispergier- und Homogenisiervorgängen ein besonderes Problem dar.

Es ist bekannt, daß der Verlauf dieser Vorgänge mit im allgemeinen statistischem Charakter durch eine vom Energieeintrag abhängige und mit der Zeit abnehmende Intensität charakterisiert wird. Dabei setzt das Zerteilen disperser Phasen auch bei sehr hohen Scherspannungen erst nach einer bestimmten, von der Intensität der Scherbeanspruchung und dem Deformationsverhalten der Phasen abhängigen, Verweilzeit im Scherfeld ein (Kulisnew, W. N., „Smejsi polymerov", Chimija, Moskva 1980; Mainow, SI.,Wiss. ZSd.TH Leuna-Merseburg, 26 [1984] 1, S. 168/180; Schenkel, G., Kunststoffe60 [1970], S.52/60, 129/135 und 196/200; Martin, G., Dissertation, Universität Stuttgart 1972).

Es sind viele Schneckenkonstruktionen bekannt, die mit verschiedenartigen Scher- und/oder Misch-Abschnitten versehen sind, in denen durch eine Erhöhung des Energieeintrages infolge einer Intensivierung der Scherwirkung und/oder einer Verlängerung der Verweilzeit eine bessere Aufschließung und Dispergierung sowie eine gleichmäßige Verteilung und Temperierung angestrebt wurden. So wurde eine Schnecke mit scherintensivem Abschnitt in DE-AS 1729373 vorgeschlagen, durch den die Behebung von Inhomogenitäten infolge der molekularen Polydispersität, wie „Stippen", „Fischaugen" oder „Gele" durch die erzielte hohe Scherbeanspruchung des Materials bezweckt wurde. Der vorgeschlagene scherintensive Abschnitt besteht aus einem zylindrischen oder kegelförmigen Einsatzkörper, dessen Mantelfläche mit achsparallelen Nuten, deren Enden

abwechselnd in Auslauf- und in Einlaufrichtung im Abstand vor dem Ausgangs- bzw. vor dem Eingangsende des Einsatzkörpers geschlossen sind, versehen ist. Im Falle eines kegelförmigen Einsatzkörpers wird auch die Innenwand des Gehäuses entsprechend kegelförmig ausgebildet, wobei durch die Möglichkeit eines axialen Verschiebens des kegelförmigen Einsatzkörpers eine entsprechende Verstellung des Spaltes zwischen den durch die Nuten gebildeten Stegen und der Innenwand des Gehäuses gewährleistet wird.

Ein wesentlicher Nachteil dieses scherintensiven Schneckenabschnittes besteht darin, daß das Durchströmen der Einlauflängsnuten und der Übertritt der Formmasse zu benachbarten Auslauflängsnuten Undefiniert ist. Es kann vorkommen, daß je nach auftretendem Stau innerhalb der Einlauflängsnuten der Masseübertritt zu benachbarten Auslauflängsnuten nur im vorderen Abschnitt der Einlauflängsnuten erfolgt. Dadurch wird eine längere Verweilzeit der Formmasse in dem Vorderbereich der Einlauflängsnuten und somit eine Ungleichmäßigkeit der Homogenisierwirkung bedingt. Es wurde bereits vorgeschlagen (CH-PS 476568), diesen Nachteil durch spitz zulaufende Form der Einlauflängsnuten und breit auslaufende Form der Auslauflängsnuten zu beheben. Hierdurch werden ein gleichmäßiger Masseübertritt sowie ein geringerer Stau gewährleistet. Diese Ausführung weist aber den Nachteil eines Festsetzens von Material in den toten Ecken des Vorderbereiches der Einlaufnuten auf, wodurch eine Beinträchtigung der Homogenisierwirkung sowie eine erschwerte und aufwendige Reinigung beim Wechsel von Chargen, Farben ect. bedingt werden. Einen weiteren Nachteil stellt auch die schwierige und aufwendige Fertigung der spitz zulaufenden Enden der Nuten dar.

Ein anderes Scher-Misch-Element wurde in DE-AS 215264 vorgeschlagen. Es besteht aus einem an beiden Enden konisch abgestuften zylindrischen Grundkörper, in dessen Mantelfläche eine gerade Anzahl von längsverlaufenden taschenartigen Ausnehmungen eingebracht sind, die durch dazwischenliegende Stege begrenzt und in Richtung der Förderung abwechselnd mit der Einlauf- und Auslaufseite verbunden sind. Die Anfangstiefe der taschenartigen Ausnehmungen auf der Einlauf- wie auf der Ausiaufseite wird so gewählt, daß die Summe der kreisabschnittartigen Einlauf- und Auslaufquerschnitte der Ausnehmungen so groß wie der Förderquerschnitt der Schnecke ist. Zum jeweiligen Ende der taschenartigen Ausnehmungen hin nimmt die Tiefe stetig so ab, daß die Stegbreite zwischen den taschenartigen Ausnehmungen konstant bleibt. Der Nachteil dieses Scher-Misch-Elementes besteht darin, daß es auch bei relativ großen Druckverlusten den erwünschten Mischeffekt nicht bringt. Vor allem kann es aber die Erzielung bzw. nicht Beeinträchtigung definierter Dispersitäten sowie die Behebung von Inhomogenitäten infolge molekularer Polydispersität nicht gewährleisten.

Alle erwähnten bekannten Vorschläge führen zwar zu einer gewissen Verbesserung von Misch-und Homogenisierwirkung, aber sie verursachen eine wesentliche Drosselung der Förderleistung und bei Drehzahlerhöhung auch eine Überhitzung des Fördergutes. Auf derartigen Schnecken können thermisch empfindliche Materialien, wie z. B. PVC-h oder vernetzende < Elastomere, infolge örtlich auftretender Zersetzungen oder Anvulkanisation nicht oder nur mit Einschränkungen verarbeitet werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Verbesserung von Dispergier-, Misch- und Homogenisierwirkung von Einschneckenpressen durch eine definierte Intensivierung der Scher-Misch-Wirkung zumindest innerhalb eines Schneckenabschnittes zu ermöglichen, wobei die Erzielung bzw. nicht Beeinträchtigung definierter Dispersitäten bei hoher Verteilungsgleichmäßigkeit oder die Behebung von Inhomogenitäten infolge molekularer Polydispersität bei der Verarbeitung von Polymeren, insbesondere von zusammengesetzten thermoplastischen Kompositionen auch aus thermisch empfindlichen Materialien zu Erzeugnissen mit verbesserter Qualität ermöglicht wird.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnecke für Einschneckenpressen zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, insbesonderer von zusammengesetzten Polymerkompositionen zu schaffen, die zumindest einen zylindrischen oder kegelförmigen Abschnitt aufweist, der zu einer Verbesserung von Dispergier-, Misch- und Homogenisiereffekt durch eine definierte Intensivierung der Scher-Misch-Wirkung führt und dabei die Erzielung bzw. nicht Beeinträchtigung definierter Dispersitäten und hoher Gleichmäßigkeit der Phasenverteilung oder die Behebung von Inhomogenitäten infolge molekularer Polydispersität ermöglicht, wobei er möglichst geringe Materialstaus verursacht, keine toten Ecken zum Festsetzen von Material aufweist und in der Fertigung sowie Reinigung beim Wechsel von Chargen, Farben ect. einfach und wenig aufwendig ist.

Merkmale der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mantelfläche eines zylindrischen oder kegelförmigen Abschnittes der Schnecke für Einschneckenpressen mit axial verlaufenden Sperr- und Überlauf-Stegen sowie eine gerade Anzahl von Nuten zwischen den Stegen, deren Enden abwechselnd in Auslauf- und in Einlaufrichtung geschlossen sind, so versehen wird, daß die Überlauf-Stege eine möglichst große Breite und die Nuten eine am geschlossenen Ende bezüglich des Überlauf-Steges auf Null auslaufende und zum offenen Ende hin sich allmählich vergrößernde Tiefe aufweisen, die am offenen Ende etwa die Kanaltiefe des anschließenden Schneckenabschnittes erreicht, wobei die Summe der Einlauf- bzw. der Auslaufquerschnittsflächen der Nuten annähernd so groß wie die effektive Kanalquerschnittsfläche der Förderschnecke ist. Der erfindungsgemäße Scher-Misch-Abschnitt gewährleistet somit bei relativ geringem Stau einen gleichmäßigen Übertritt des Materials über die ganze Länge des Überlauf-Steges, wobei auch das Festsetzen bzw. Ablagern des Materials in den Nuten mit Sicherheit vermieden wird.

Erfindungsgemäß werden Überlaufspaltweite und Länge des Überlaufsteges im Verhältnis zu einander gewählt, so daß die im wesentlichen durch die Spaltquerschnittsfläche bestimmte Förderleistung der Überlaufströmung etwa gleich groß wie der Förderleistung der Schnecke ist.

Hierdurch wird eine möglichst geringe Drosselwirkung des Scher-Misch-Abschnittes und dementsprechend keine wesentliche

Beeinträchtigung der Förderleistung erzielt, wobei auch keine örtliche Überhitzung des Materials bei Drehzahlerhöhung verursacht wird, so daß auch die Verarbeitung von thermisch empfindlichen Materialien ermöglicht wird.

Der erfindungsgemäße Scher-Misch-Abschnitt wird vorteilhafterweise kegelförmig ausgeführt, wobei auch die Innenwand des Gehäuses entsprechend kegelförmig ausgeführt wird.

Erfindungsgemäß wird die kegelförmige Innenwand des Gehäuses in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt, wodurch eine Verstellung der Spaltweiten zwischen den Stegen und der kegelförmigen Innenwand des Gehäuses ermöglicht wird.

Hierdurch werden Einschneckenpressen mit einer zusätzlichen Stellgröße ausgestattet.

Der in Form eines Kegels oder Kegelstumpfes ausgeführte Scher-Misch-Abschnitt wird mit seinem verjüngten Ende sowohl in Förderrichtung als auch entgegen der Förderrichtung zugewandt.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll anhand nachfolgender Ausführungsbeispiele näher erläutert werden. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: Teilansicht der Förderschnecke mit dem zylinderförmigen Scher-Misch-Abschnitt Fig. 2: Die seitliche Ansicht des zylinderförmigen Scher-Misch-Abschnittes Fig.3: Einen Schnitt gemäß der Linie l-l in Fig.2 Fig.4: Einen Schnitt gemäß der Linie U-Il in Fig.2 Fig. 5: Die seitliche Ansicht des kegelförmigen Scher-Misch-Abschnittes Fig.6: Einen Schnitt gemäß der Linie l-l in Fig.5 Fig.7: Einen Schnitt gemäß der Linie H-Il in Fig.5

Fig. 8: Teilansicht der Förderschnecke mit dem kegelförmigen Scher-Misch-Abschnitt und eine Gehäuseausführung mit der axial verschiebbaren kegelförmigen Innenwandung

Eine ein- oder mehrgängige Förderschnecke 1,2 einer Einschneckenpresse weist zumindest einen zylinderförmigen Scher-Misch-Abschnitt 3 auf, der über Kegelstümpfe 4,5 an den Schneckenkern angeschlossen ist, wie aus Fig. 1 zu ersehen ist. Der Scher-Misch-Abschnitt 3 ist mit der Förderschnecke 1,2 so verbunden, daß sie sich immer gemeinsam drehen. Wie Fig.2 und Fig.3 zeigen, ist die Mantelfläche des zylinderförmigen Scher-Misch-Abschnittes mit axial verlaufenden Sper- 6 und Überlaufstegen 7 sowie einer geraden Anzahl von Nuten 8,9 zwischen den Stegen 6,7, deren Enden abwechselnd in Auslauf- und in Einlauf richtung im Abstand vor dem jeweiligen Ende des Scher-Misch-Abschnittes 3 geschlossen sind, versehen. Der Abstand zwischen den geschlossenen Enden der Ein- und Auslaufnuten 8,9 bestimmt die effektive Länge L₀ der Überlaufstege 7, die entsprechend der gewünschten Überlaufspaltweite h_ü einen geringeren Radius Rü der Sperrstege 6 aufweisen. Dadurch werden einlauf-und auslaufseitige Sperrsteg-Ausweitungen 10,11 in Umfangsrichtung über die Breite der Überlaufstege 7 ausgebildet. Wie aus Fig.4zu ersehen ist, weisen die Nuten 6,7 eine am geschlossenen Ende bezüglich des Überlaufsteges 7 fast auf Null auslaufende und zum offenen Ende hin sich allmählich vergrößernde Tiefe auf. Die Nuten 8,9 werden dabei so dimensioniert, daß die Summe ihrer Einlauf- bzw. Auslaufquerschnittsfläche etwa so groß wie die effektive Kanalquerschnittsfläche der Förderschnecke 1,2 ist.

Die Überlaufspaltweite ha kann verschieden groß sein und wird im Zusammenhang mit dem konkreten technologischen Problem gewählt. So z. B. werden geringe Überlaufspaltweiten h_ü und möglichst große Breiten des Überlaufsteges 7 zur Gewährleistung einer wirkungsvollen Dispergierung und Plastizierung gewählt. Dabei ist aber zu beachten, daß mindestens zwei Nuten-Paare 8, 9 vorliegen müssen, um eine symmetrische Belastung der Schnecke zu gewährleisten. Zur Verbesserung der Homogenisierwirkung wird dagegen eine möglichst große Anzahl der Nuten-Paare 8,9 gewählt.

Die effektive Länge L_ü des Überlaufsteges 7 wird im Zusammenhang mit der gewählten Überlaufspaltweite h_ü so festgelegt, da die summare Förderleistung der Strömungen über die Überlaufstege 7 etwa gleich groß wie die Förderleistung der Förderschnecke 1,2 ist.

Fig.5 und Fig.6 stellen einen kegelförmigen Scher-Misch-Abschnitt einer Förderschnecke dar, dessen Mantelfläche auch mit axial verlaufenden Sperr-12 und Überlaufstegen 13 sowie einer geraden Anzahl von Nuten 14,15 zwischen den Stegen, deren Enden abwechselnd in Auslauf- und in Einlaufrichtung im Abstand vor dem jeweiligen Ende des Scher-Misch-Abschnittes geschlossen sind, verschoben ist. Die Überlaufstege 13 haben im allgemeinen gleiche Konizität, aber einen geringeren Radius wie die Sperrstege 12. Über die durch den Abstand zwischen den geschlossenen Enden der Ein- und Auslauf nuten 14,15 und die gewählte Konizität bestimmte effektive Länge L_ü der Überlaufstege 13 entsteht somit ein radialer Spalt im allgemeinen mit konstanter Weite h_ü gegenüber dem Sperrsteg 12. Dabei werden auch hier einlauf-und auslaufseitige Sperrsteg-Ausweitungen 16,17 in Umfangsrichtung über die Breite der Überlaufstege 13 ausgebildet. Wie aus Fig.7 zu ersehen ist, weisen die Nuten 14, 15 eine am geschlossenen Ende bezüglich des Überlaufsteges 13 fast auf Null auslaufende und zum offenen Ende hin sich allmählich vergrößernde Tiefe auf. Auch hier werden die Nuten 14,15 so dimensioniert, daß die Summe ihrer Ein- bzw. "Auslaufquerschnittsflächen mindestens so groß wie die effektive Kanalquerschnittsfläche der.Förderschnecke 1,2 ist. Die effektive Länge L_ü des Überlaufsteges 13 wird im Zusammenhang mit der gewählten Überlaufspaltweite h_ü so festgelegt, daß die summare Förderleistung der Strömungen über die Überlaufstege 13 etwa gleich groß wie die Förderleistung der Förderschnecke 1,2 ist.

Über die Kegelstümpfe 18,19 erfolgt der Anschluß des kegelförmigen Scher-Misch-Abschnittes 20 an den Kern der Förderschnecke 1,2, wobei das verjüngte Ende sowohl in Förderrichtung als auch entgegen der Förderrichtung zugewandt werden kann. Wie Fig. 8 zeigt, wird dabei die Innenwand 21 des Gehäuses im Bereich des kegelförmigen Scher-Misch-Abschnittes 20 auch entsprechend kegelförmig gestaltet. Die kegelförmige Innenwand 21 ist dabei in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt, so daß die Spaltweiten zwischen den Stegen 12,13 und der kegelförmigen Innenwand 21 definiert verändert (bzw. eingestellt) werden können. Hierfür wird der mit der kegelförmigen Innenwand 21 versehene Gehäuseabschnitt

22 über eine zylindrische Verlängerung 23 der kegelförmigen Innenwand 21 mit dem größten Kegeldurchmesser auf einer zylindrischen Stufe 24 mit dem gleichen Durchmesser des übrigen Gehäuseabschnittes 25 eingeschoben, wobei eine dichte Verbindung zwischen den axial verschiebbaren Gehäuseabschnitten 22,25 entsteht.

Die Nuten 8,9 bzw. 14,15 des erfindungsgemäßen zylindrischen bzw. kegelförmigen Abschnittes einer Schnecke können dabei ganz beliebige Querschriittsformen haben. Sie können z. B. rechteckförmig, dreieckförmig oder halbkreisförmig gestaltet werden.

Claims (3)

1. Schnecke für Einschneckenpressen zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, die zumindest einen zylindrischen oder kegelförmigen Abschnitt aufweist, deren Mantelfläche mit axial verlaufenden Sperr- und Überlaufstegen sowie einer geraden Anzahl von Nuten zwischen den Stegen, deren Enden abwechselnd in Auslauf- und in Einlaufrichtung im Abstand vor dem jeweiligen Ende des Abschnittes geschlossen sind, versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (8,9,14,15) eine am geschlossenen Ende bezüglich des Überlaufsteges (7,13) auf Null auslaufende und zum offenen Ende hin sich allmählich vergrößernde Tiefe aufweisen, die am offenen Ende etwa die Kanaltiefe des anschließenden Schneckenabschnittes (1,2) erreicht, wobei die Summe der Einlaufs- bzw. Auslaufsquerschnittsflächen der Nuten (8,9 14,15) annähernd so groß wie die effektive Kanalquerschnittsfläche der Förderschnecke (1,2) ist, und daß die durch den Abstand zwischen den geschlossenen Enden der Einlauf- und Auslauf-Nuten (8,9,14,15) definierte effektive Länge (La) des Übe rl auf steg es (7,13) im Zusammenhang mit der gewählten Überlaufspaltweite (h_ü) so festgelegt wird, daß die summare Förderleistung der Strömungen über den Überlaufsteg (7,13) etwa gleich groß wie die Förderleistung der Förderschnecke (1,2) ist.

2. Einschneckenpresse zur Verarbeitung von Polymerwerkstoffen, die mit einer ein- oder mehrgängigen Schnecke, die zumindest einen kegelförmigen Abschnitt nach Anspruch 1 aufweist, ausgerüstet ist, wobei die Innenwand des Gehäuses im Bereich des kegelförmigen Abschnittes entsprechend kegelförmig gestaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kegelförmige Innenwand (21) gegenüber des kegelförmigen Abschnittes (20) der Förderschnecke (1,2) in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt ist.

3. Einschneckenpresse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus mindestens zwei Abschnitten (22,25) besteht, wobei ein mit der kegelförmigen Innenwand (21) versehener Gehäuseabschnitt (22) über einer zylindrischen Verlängerung (23) der kegelförmigen Innenwand (21) mit dem größten Kegeldurchmesser auf einer zylindrischen Stufe (24) mit dem gleichen Durchmessereines anderen Gehäuseabschnittes (25) eingeschoben wird, so daß eine dichte ' Verbindung zwischen den axial zueinander verschiebbaren Gehäuseabschnitten (22,25) entsteht.