DE10050295A1 - Mehrwellen-Extruder und Verfahren zur Aufbereitung und/oder Vorarbeitung von mit Füllstoff versetzten Elastomeren - Google Patents
Mehrwellen-Extruder und Verfahren zur Aufbereitung und/oder Vorarbeitung von mit Füllstoff versetzten ElastomerenInfo
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- B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts
- B29K2105/16—Fillers
Abstract
Die Erfindung bezieht sich auch einen Mehrwellen-Extruder mit mindestens zwei Wellen zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung eines mit Füllstoff versetzten Elastomers, insbesondere Kautschuk, mit mindestens einem Weichmacher und/oder Zusätzen, wobei der Extruder in der Richtung des Produkttransports aufeinanderfolgend aufweist: eine Einfüllzone (2), in welcher das Elastomer sowie der Weichmacher und/oder die Zusätze eindosiert wird bzw. werden; eine Mastifizier-/Plastifizierzone (4) mit mindestens einem Knetelement (8, 10), in welcher das Elastomer mit dem Weichmacher und/oder den Zusätzen in den Zustand einer fließfähigen zusammenhängenden Mischung überführt wird; und eine Dispergierzone (6) mit mindestens einem weiteren Knetelement (8, 10), in welcher der Füllstoff in dem Elastomer zerkleinert und verteilt wird, wobei zwischen dem Kamm (8a, 8b, 10a, 10b) der Knetelemente (8, 10) und der Gehäuse-Innenwand (9) des Extruders ein Spalt mit einer Spaltbreite Z von etwa 1/100 bis etwa 1/10 des Knetelement-Durchmessers D vorhanden ist. DOLLAR A Die Breite des Spalts und der Drehzahlbereich der die Knetelemente tragenden Wellen sind derart bemessen, dass Scherraten von etwa 10/s bis etwa 3000/s, insbesondere zwischen 30/s und 1000/s, erzielt werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrwellen-Extruder gemäss Anspruch 1 und ein
Verfahren gemäss Anspruch 21 zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung eines mit Füll
stoff versetzten Elastomers, wie z. B. Kautschuk mit Russ.
Zur Aufbereitung von Gummimischungen sind mehrstufige und diskontinuierliche Ver
fahrensschritte bekannt. Die Aufbereitung des Kautschuks erfolgt in Batchmischern mit
250-500 l Inhalt in ca. 2-3 minütigen Mischzyklen, meist in 2 Durchgängen. Die an
schliessende Formgebung erfolgt entweder über Walzwerke (für Reifen) oder Extruder
(für Profile etc.). Hohe Kosten für den Bau und die Einrichtung des Mischsaals sowie
hohe Aufwendungen für dessen Betrieb erschweren es, die Produktionskosten zu sen
ken.
Seit Jahren versucht die Gummiindustrie, die Verarbeitungsprozesse zu vereinfachen.
Die kontinuierliche Aufbereitung von Gummi, wie sie z. B. in der thermoplastischen
Kunststoffindustrie bekannt ist, wird seit Jahren als ein möglicher Lösungsansatz be
trachtet. Man erhofft sich mit einem kontinuierlichen Verfahren folgende Hauptvorteile:
- - Geringere Schwankungen (insbesondere Qualität) und Produktverluste
- - Weitgehend automatisiertes Verfahren
- - Geringer Energieverbrauch
- - Geringere Emissionen.
Die kontinuierliche Aufbereitung von Gummi ist seit Jahren ein Wunsch der Gummiin
dustrie. Ein für die Kautschukaufbereitung angepasstes kontinuierliches Mischverfahren
setzt eine kontinuierliche Dosierungsmöglichkeit aller Mischungskomponenten sowie
eine exakte Dosierung dieser Bestandteile voraus. Bisher erschwerte die übliche Anlie
ferungsform von Kautschuk, wonach der Kautschuk (natürlich und synthetisch) in der
Regel in Ballen angeliefert wird, eine wirtschaftliche kontinuierliche Aufbereitung. Pul
verkautschuk ist schon lange bekannt, war bisher aber zu teuer. Neuere Entwicklungen,
die ein wirtschaftliches Herstellen von Pulverkautschuk erlauben, eröffnen neue Mög
lichkeiten bei der kontinuierlichen Gummiaufbereitung.
So wird mit Füllstoff versetzter, Pulverkautschuk neuerdings durch Co-Fällung zwischen
einer Kautschuk-Emulsion und einer Füllstoff-Suspension durch anschliessende
Trocknung und Filterung gewonnen. Der auf diese Weise gewonnene Pulverkautschuk
ist freifliessend und rieselfähig.
Derzeit bekannte Verfahren zum Mischen von Kautschuk verwenden im allgemeinen
einen Innenmischer mit tangentialen oder ineinandergreifenden Knetwellen, ein Aus
schneidewalzwerk mit Stockblender und/oder ein Batch-Off-Walzwerk zum Homogeni
sieren der gemischten Chargen und zum Schneiden der erhaltenen Mischungen zu
Fellen oder zu Fütterstreifen, bevor die Abkühlung in der Batch-Off-Anlage erfolgt.
Alternativ verwendet man auch einen Austragsextruder und eine Roller-Die-Einrichtung.
Um eine gute Dispersion der Mischung zu garantieren, ohne dabei das Risiko einer zu
starken Erwärmung oder eines Anspringens der Mischung einzugehen, ist beim Mi
schen in einzelnen Chargen häufig ein Zweistufenmischprozess erforderlich, insbeson
dere bei Mischungen mit höheren Härten oder hohen Werten der Mooney-Viskosität.
Mischungen für Artikel mit niedrigen Härten erfordern, um eine gute Polymerdispersion
zu gewährleisten, verlängerte Mischzeiten und ein Mischen in mehreren Durchgängen.
Der heutige Mischprozess ist kapitalintensiv und verursacht hohe Energie- und Be
triebskosten. Ausserdem besteht dabei immer das Risiko schwankender Produktquali
tät, was nicht nur dadurch verursacht wird, dass grosse Kautschukballen mit Unter
schieden in der Ballendichte eingesetzt werden, sondern ganz einfach dadurch, dass
diese Arbeitsweise der Mischungsherstellung in einzelnen Chargen von ihrem Wesen
her variabel ist und zudem eine Vielzahl von Prozessschritten einschliesst.
Der Innenmischer (oder Kneter) ist noch heute das zentrale Aggregat bei der Herstel
lung von Gummimischungen. Im Innenmischer rotieren zwei massive Mischschaufeln,
deren Geometrie so ausgelegt ist, dass gleichzeitig eine axiale und radiale Verschie
bung bzw. Durchmischung des Mischgutes stattfindet.
Konventionell laufen die Knetschaufeln mit unterschiedlicher Drehzahl, gegenläufig und
bei modernen Innenmischer kämmend.
Innenmischer gibt es in Grössen von 1 Liter (Labormaschinen) bis zu 450 Liter (Reifen
kneter). Letztere erstrecken sich über mehrere Stockwerke und erfordern Investitionen
von mehreren Mio. Franken.
Die Einfüllöffnung liegt über dem Schaufelspalt. Sie wird während des Mischens mit
einem hydraulischen betätigten Stempel verschlossen. Mit einem Stempeldruck von 2
bis 10 bar wird das Mischgut in die eigentliche Mischkammer gedrückt und am Auswei
chen gehindert. Die Mischungszeiten liegen typischerweise bei 2 Minuten.
Die Mischkammer enthält in der Wandung Bohrungen zur Kühlung. Die Knetschaufeln
sind ebenfalls gebohrt zur Kühlung.
Die Entleeröffnung am Boden der Mischkammer wird durch sogenannte Schiebe- oder
Klappsattel hydraulisch verschlossen. Die Öffnung wird beim Klappsattel rasch zur vol
len Grösse freigegeben, wodurch eine schnelle Entleerung ermöglicht wird.
Der Antrieb von Innenmischern erfolgt durch Elektromotoren hoher Leistung von bis zu
10 kW pro kg Nutzinhalt. Moderne Innenmischer sind in der Schaufeldrehzahl stufenlos
regelbar.
Die Beschickung der Innenmischer erfolgt halbautomatisch durch eine sogenannte Vor
schaltanlage. Rieselfähige Füllstoffe, wie z. B. Russ, werden aus Siliervorrichtungen
(Container, Silo oder flexible Big-Bags) automatisch ausgetragen, abgewogen und in
den Innenmischer gegeben. Oft wechselnde Kleinmengen und ballenförmige Kautschu
ke werden, nach der Zerkleinerung im Ballenschneider von Hand eingewogen. Die bei
der Handverwiegung vorab abgewogenen Bestandteile werden in den Kneterschacht
gegeben.
Nach dem Kautschuk werden die Füllstoffe und Additive gemeinsam zugegeben und
zum Schluss die Flüssigkomponenten (Weichmacher) eingedüst.
Der Kautschuk wird in einer ersten Phase bei niedrigen Drehzahlen des Mischprozes
ses erwärmt und plastifiziert. Danach bei höheren Drehzahlen die Mischarbeit (distribu
tiv und dispersiv) eingeleitet. Limitierender Faktor bei der Mischarbeit ist die Tempera
tur. Zur Überwachung und Steuerung des Mischprozesses werden Massetemperatur
und Leistungsaufnahme des Kneterantriebs gemessen. Beide zusammen ergeben ein
charakteristisches Bild, das von Zyklus zu Zyklus reproduziert werden muss, um
gleichmässige Mischungseigenschaften zu erhalten. Die fertige Mischung fällt aus dem
Innenmischer auf ein Ausmisch- oder Kühlwalzwerk mit Stockblender, wird dort als kon
tinuierliches Fell abgezogen und in der Batch-Off-Anlage gekühlt, mit Trennmittel ver
sehen, getrocknet und am Schluss in Streifen geschnitten und auf Paletten gelegt.
Ein wichtiger Teilschritt bei der Verarbeitung von Elastomeren wie Kautschuk besteht
darin, diese mit einem Füllstoff wie z. B. Russ oder Silikat zu versetzen. Mit diesem Füll
stoff können die physikalischen Eigenschaften gezielt verändert werden. So kann z. B.
bei Styrol-Butadien-Kautschuk oder bei Isopren-Kautschuk (Naturkautschuk) durch ei
nen Massenanteil von etwa 50-60% Russ eine erhebliche Steigerung der Reissfestig
keit erzielt werden.
Bei diesem ersten Teilschritt ist es üblich, gewisse Verarbeitungshilfen einzusetzen. So
wird Weichmacheröl bei der Verarbeitung des Kautschuks hinzugegeben, um die Mi
schungsviskosität und die Mischungselastizität zu senken. Dadurch lässt sich der Pul
verkautschuk im Extruder leichter mastifizieren, und der Russ kann im Kautschuk bes
ser dispergiert, d. h. zerteilt und verteilt werden.
Für die Gummiherstellung ist es notwendig, in einem weiteren Teilschritt die Kettenmo
leküle des Kautschuks miteinander zu vernetzen. Hierfür verwendet man vorwiegend
Schwefel. Alternativ verwendet man Kieselsäure, Metalloxide oder Peroxide. Bei gewis
sen Elastomeren kann die Vernetzung auch durch UV-Bestrahlung eingeleitet werden.
Die Kettenmoleküle des Kautschuks werden dann durch Schwefelbrücken miteinander
verbunden, wodurch hochelastisches Gummi entsteht.
Andere Zusätze dienen der Verbesserung der geforderten Produkt-Eigenschaften oder
als Verarbeitungshilfsmittel, als Stabilisator, etc.
Bisherige Extrusionsvorgänge erforderten immer noch einen hohen Energieaufwand,
der mitunter auch zu einer thermischen Schädigung der zu verarbeitenden Stoffe führte.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verringerung des Energieauf
wands bei der Aufbereitung und/oder Verarbeitung des mit Füllstoff versetzten Elasto
mers ohne nennenswerte Beeinträchtigung der Qualität des Endprodukts zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch den Mehrwellen-Extruder gemäss Anspruch 1 sowie das
Verfahren gemäss Anspruch 21 gelöst.
Durch den erfindungsgemässen Spalt zwischen dem Kamm der Knetelemente (Knet
scheiben) und der Gehäuse-Innenwand des erfindungsgemässen Extruders kann bei
praktisch gleichbleibender DispErsion (d. h. Verteilungs- und Zerteilungsgrad) des End
produkts am Extruderausgang je nach der Drehzahl der Schnecken und der gewählten
Spaltbreite eine Verringerung des Schneckendrehmoments und damit des Energieauf
wands bis zu etwa der Hälfte erzielt werden. Je nach Bedarf kann dafür gesorgt wer
den, dass die in radialer Richtung gemessene Spaltbreite des sich in Axialrichtung er
streckenden Spalts zwischen den Knetelement-Kämmen und der Gehäuse-Innenwand
des Extruders über die Breite eines Knetelements bzw. einer Knetscheibe hinweg als
Funktion der axialen Position veränderlich ist oder dass diese Spaltbreite entlang der
Axialrichtung über die gesamte Breite eines Knetelements konstant ist.
Vorzugsweise ist die Breite des Spalts und der Drehzahlbereich der die Knetelemente
tragenden Wellen derart bemessen, dass Scherraten von etwa 10/s bis etwa 3000/s,
insbesondere zwischen 30/s und 1000/s, erzielt werden.
Des weiteren kann durch einen sich senkrecht zur axialen Produktförderrichtung er
streckenden Spalt zwischen aufeinanderfolgenden Knetscheiben ein weiterer Beitrag
zur Scherung des Produkts erzielt werden.
Zweckmässigerweise ist eine Dosiervorrichtung zur Eindosierung von Weichmacher
und/oder Zusätzen im förderaufseiten Endbereich der Einfüllzone vorgesehen, wobei
insbesondere eine Dosiervorrichtung zur Eindosierung von Weichmacher und/oder Zu
sätzen entlang der Produkt-Förderrichtung über mindestens einen Teilbereich der Ein
füllzone verteilt vorgesehen sein kann. Vorzugsweise weist dann die Mastifizier-
/Plastifizierzone und/oder die Dispergierzone in ihrem förderabseitigen Bereich eine
Entgasungsöffnung auf.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Einfüllzone oder der Förder
bereich des Extruders eine Vorrichtung für die dosierte Zufuhr von Wasser auf. Dies
ermöglicht eine Einarbeitung von Wasser in das Produkt und eine Kühlung nicht nur an
dessen Oberfläche, sondern auch innerhalb des Produktvolumens, wodurch einer ther
mischen Produktschädigung wirkungsvoll vorgebeugt werden kann. Die wesentliche
Kühlwirkung ergibt sich dabei vorwiegend aufgrund der Verdampfungswärme des durch
die Entgasungsöffnungen entweichenden Wasserdampfs.
Zweckmässigerweise weisen die Mastifizier-/Plastifizierzone sowie die Dispergierzone
jeweils eine Vielzahl (Knetblock) aneinandergesetzter Knetscheiben auf, deren Breite
vorzugsweise im Bereich zwischen etwa 1/6 des Durchmessers und etwa 1 Durchmes
ser der Knetscheiben liegt. Dieser stapelartige Aufbau eignet sich besonders gut für
Schnecken, die häufig an verschiedene Betriebsbedingungen angepasst werden müs
sen. Der Knetscheibenstapel kann aber auch einstückig z. B. durch Giessen oder durch
maschinelles Bearbeiten gebildet werden.
Die aneinandergesetzten Knetscheiben können dabei um 90° zueinander versetzt oder
um weniger als 90° in der Drehrichtung oder gegen die Drehrichtung versetzt angeord
net sein. Dadurch erreicht man eine neutrale Knetwirkung ohne Förderkomponente
bzw. eine Knetwirkung mit überlagerter rückfördernder oder fördernder Komponente.
Durch geeignete Auswahl dieser Konfigurationen können z. B. mehr oder weniger inten
sive Mastifizierungen und Dispergierungen, insbesondere aber auch gezieltes Aufstau
en und Druckaufbau vor Entgasungsöffnungen erreicht werden.
Vorzugsweise verwendet man innerhalb eines Knetblocks des Mastifizierabschnitts
und/oder des Dispergierabschnitts einer Schnecke Knetscheiben, deren Kamm-zu-
Kamm-Durchmesser entlang der Förderrichtung abnimmt (zunehmende Spaltbreite)
oder zunimmt (abnehmende Spaltbreite). So kann in der jeweiligen Zone ebenfalls för
dernd bzw. rückfördern, d. h. stauend, auf das Produkt eingewirkt werden.
Zweckmässigerweise ist die Einfüllzone mindestens so lang wie die Summe der Längen
der Mastifizier-/Plastifizierzone und der Dispergierzone und weist vorteilhafterweise di
stributive bzw. nicht dichtkämmende Elemente auf. Dies ermöglicht es, die Produkt
komponenten zunächst gut zu verteilen, ohne dabei einen grossen Betrag an dispersi
ver Arbeit (Zerteilung) einzuführen. Vor allem wird durch die distributiv mischende lange
Einfüllzone auch dem Weichmacher genügend Zeit gegeben, zunächst gut verteilt zu
werden und in das Elastomer einzudiffundieren.
Als Mehrwellen-Extruder kann z. B. ein Ringtextruder verwendet werden, der sowohl
eine Gehäuse- als auch eine Kernkühlung aufweist. Dies ermöglicht eine besonders
wirkungsvolle Kühlung des Produktes, da sowohl innerhalb der ringförmigen Bearbei
tungszone des Extruders als auch ausserhalb davon Wärme abgeführt wird. Der Ring
textruder, insbesondere als gleichdrehender dichtkämmender Mehrwellenextruder, bie
tet deutliche Vorteile gegenüber dem Zweiwellen-Extruder. Mit dem Ringtextruder kön
nen die Erfinder der vorliegenden Anmeldung für die kontinuierliche Gummiaufbereitung
eine einzigartige, besonders vorteilhafte Lösung für die Aufbereitung von Kautschuk
anbieten, wobei die folgenden fünf Hauptkriterien zu erfüllen sind:
- - optimale Mischverteilung (distributives Mischen)
- - kleine Partikel und schmale Partikelgrössenverteilung (dispersives Mischen)
- - keine thermische Schädigung durch Zeit-Temperatur-Geschichte)
- - niedriger Energieverbrauch
- - Gasfreiheit
Aufgrund der höheren spezifischen Grössen wie Zylinderoberfläche und Zwickelfläche
lassen sich diese Kriterien mit dem Ringtextruder effizienter erreichen als mit einem
konventionellen Zweiwellen-Extruder.
Insbesondere das dispersive Mischen lässt sich mit dem Ringtextruder um Faktoren
schneller und schonender erzielen. Die Gründe liegen in seinem kleineren Passiwolu
men, seiner engeren Zielgrössenverteilung und seiner grösseren spezifischen Wärme
übertragungsfläche.
Somit eignet sich speziell der Ringtextruder als kontinuierlich arbeitende Maschine zur
Gummi-Aufbereitung.
Zweckmässigerweise enthält der Extruder an seinem förderabseitigen Ende noch eine
Formgebungseinrichtung, insbesondere mit einem vorgeschalteten Austragsapparat. So
kann z. B. in einer Linie Pulverkautschuk zu einem geformten Endprodukt verarbeitet
werden.
Durch Betreiben der die Knetelemente tragenden Wellen derart, dass Scherraten von
etwa 10/s bis etwa 3000/s, insbesondere zwischen 30/s und 1000/s, zwischen den
Kämmen der Knetelemente und der Gehäuse-Innenwand erzielt werden, wird gewähr
leistet, dass genügend Scherwirkung vorhanden ist, um eine ausreichende Mastifizie
rung und Dispergierung in den entsprechenden Zonen zu erzielen.
Das am Ausgang des Extruders erhaltene Produkt ist eine fliessfähige zusammenhän
gende Mischung, welche vorwiegend Elastomer (z. B. Kautschuk) sowie Füllstoff (z. B.
Russ oder Silikat) und Weichmacher (Öl) enthält. Dabei stellt das Elastomer die konti
nuierliche (zusammenhängende) Phase und der ver- und zerteilte Füllstoff die diskonti
nuierliche Phase des Gemisches dar.
Zweckmässigerweise werden der Weichmacher und/oder die Zusätze im förderaufsei
ten Endbereich der Einfüllzone eindosiert, sie können aber auch bei bedarf entlang der
Produkt-Förderrichtung über mindestens einen Teilbereich der Einfüllzone verteilt ein
dosiert werden.
Alternativ können der Weichmacher und/oder die Zusätze in einem förderabseitigen
Teilbereich der Einfüllzone eindosiert werden.
Vorzugsweise wird im Bereich der Mastifizier-/Plastifizierzone und/oder der Dispergier
zone entgast, insbesondere auch für den Fall, dass im Bereich der Einfüllzone dosiert
Wasser hinzugefügt wird.
Verwendet man speziell einen Ringtextruder, so werden vorzugsweise sowohl das Ge
häuse als auch der Kern des Mehrwellen-Extruders gekühlt.
Zweckmässigerweise wird am förderabseitigen Ende des Extruders das Produkt aus
getragen und anschliessend einer Formgebung ausgesetzt.
Vorzugsweise verwendet man ein Elastomer-Ausgangsmaterial (Pulverkautschuk), bei
dem Teile der Zusätze und/oder Weichmacher (Russ) bereits enthalten sind und deren
Dispergierung im Elastomer dann durch das erfindungsgemässe Verfahren erhöht wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich
aus der nun folgenden Beschreibung eines erfindungsgemässen Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung, wobei:
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht des erfindungsgemässen Extruders
ist;
Fig. 2a und 2b jeweils eine schematische Darstellung der verschiedenen Zonen der
Extruderschnecken für zwei verschiedene Varianten ist;
Fig. 3a und 3b eine Seitenansicht bzw. eine axiale Ansicht eines erfindungsgemässen
Knetblocks aus zwei Knetelementen sind;
Fig. 4 ein Diagramm ist, das den Zusammenhang zwischen Spaltbreite bzw.
Knetscheiben-Durchmesser und erforderlichem Schnecken-
Drehmoment zeigt; und
Fig. 5 ein Schnitt durch einen die erfindungsgemässen Knetscheiben aufwei
senden Extruder senkrecht zu seiner Längsachse ist.
Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Extruder in einer schematischen Seitenansicht.
In dem Extruder wird mit einem Füllstoff wie Russ oder Silikat versetzter Elastomer, z. B.
Pulverkautschuk, aufbereitet oder verarbeitet mit dem Ziel, die Russpartikel im Pulver
kautschuk zu zerkleinern und gleichmässig zu verteilen. Die Dispersion (Grad der Zer
kleinerung und Verteilung der Russpartikel) ist ein Gütemerkmal des Endprodukts.
Der Extruder besitzt ein Gehäuse 1, das ein Paar Schnecken 3 oder ein Paar Schnec
ken 3' (siehe Fig. 2) enthält. Die Schnecken 3 oder 3* werden von einem Mo
tor/Getriebe-Block 5 des Extruders angetrieben. Das Extrudergehäuse 1 enthält in der
Förderrichtung (von links nach rechts) der Reihe nach eine Einfüllzone 2, eine Mastifi
zierzone 4 und eine Dispergierzone 6. Der Pulverkautschuk wird aus einem Vorratsge
fäss 7 dem Extrudergehäuse 1 an seinem förderaufseitigen Ende 1a zugeführt.
Weichmacher, wie z. B. Öl, wird aus dem Vorratsbehälter 7' über eine Dosiereinheit 12
und eine Dosierleitung 13 dem förderaufseitigen Teilbereich 2a der Einfüllzone 2 zuge
führt. Alternativ kann der Weichmacher auch über die Einfüllzone 2 verteilt zugeführt
werden, und zwar mittels der Dosierleitungen 13, 14 und 15 jeweils im förderaufseiti
gen, mittigen und förderabseitigen Teilbereich 2a, 2b, 2c der Einfüllzone 2.
In der Mastifizierzone 4 und der Dispergierzone 6 wird das Produkt im Extrudergehäuse
1 einer Scherwirkung und Durchmischung ausgesetzt, um die Russ- oder Silikat-
Partikel zu zerkleinern und zu verteilen, wobei die Verteilung vorwiegend in der Mastifi
zierzone 4 und die Zerkleinerung vorwiegend in der Dispergierzone 6 stattfindet. Aus
einem weiteren Vorratsbehälter 7" können Zusätze oder auch Wasser dosiert hinzuge
fügt werden. Im Bereich der Mastifizierzone 4 und der Dispergierzone 6 besitzt das Ex
trudergehäuse 1 jeweils eine Entgasungsöffnung 16 bzw. 18, durch die das zudosierte
Wasser und ggf. der Weichmacher aus dem Produkt entfernt werden, bevor dieses das
Extrudergehäuse 1 an dessen förderabseitigen Ende 1b verlässt.
Fig. 2a ist eine schematische Ansicht des Extrudergehäuses 1 mit seiner Einfüllzone 2,
seiner Mastifizierzone 4 und seiner Dispergierzone 6. Die Produktförderrichtung ist
durch den Pfeil A gekennzeichnet.
Fig. 2b zeigt schematisch zwei Varianten von Schnecken 3 bzw. 3*, von denen im Ex
trudergehäuse 1 zumindest zwei parallel zueinander und teilweise ineinandergreifend
angeordnet sind.
Die Schnecke 3 (erste Variante) besteht in der Förderrichtung der Reihe nach aus ei
nem Einfüllabschnitt 2', einem Mastifizierabschnitt 4' und einem Dispergierabschnitt 6'.
Der Einfüllabschnitt bzw. Förderabschnitt 2' der Schnecke 3 besitzt nicht-kämmende
distributive Elemente. Hier findet eine Förderung und gleichzeitig eine erste Vermi
schung des Produkts statt. In dem darauffolgenden Mastifizierabschnitt 4' befinden sich
einerseits fördernde und in dem Produkt Druck aufbauende Schneckenelemente mit
abnehmender Ganghöhe (nicht gezeigt) sowie Knetblöcke, die aus aneinandergereihten
Knetscheiben 41, 42, 43, etc. bestehen und in erster Linie scherend auf das Produkt
einwirken. In dem darauffolgenden Dispergierabschnitt 6' befinden sich ebenfalls einer
seits fördernde Schneckenelemente mit abnehmender Ganghöhe (nicht gezeigt) sowie
Knetblöcke, die aus aneinandergereihten Knetscheiben 61, 62, 63, etc. bestehen
(schematisch gezeigt). Die Wirkung dieser Schneckenelemente und Knetblöcke ist hier
ähnlich wie im vorhergehenden Abschnitt 4'.
Die Schnecke 3* (zweite Variante) ist ähnlich aufgebaut wie die Schnecke 3, besitzt
jedoch einen kürzeren Einfüllabschnitt 2*, einen längeren Mastifizierabschnitt 4* und
einen längeren Dispergierabschnitt 6*. Insbesondere besitzen die Knetblöcke der Ab
schnitte 4* und 6* eine grössere Anzahl Knetscheiben 41*, 42*, 43*, etc. bzw. 61*, 62*,
63*, etc.
Sowohl bei der Schnecke 3 als auch bei der Schnecke 3* ist zwischen den Kämmen 8a,
8b, 10a, 10b der Knetscheiben 8, 10 (siehe Fig. 3a, 3b) und der Gehäuse-Innenwand 9
des Extrudergehäuses 1 ein Spalt vorhanden, dessen Spaltbreite Z im Bereich von et
wa 1/100 bis etwa 1/10 des Knetscheiben-Durchmessers D liegen kann.
Bei der Schnecke 3 enthält der Mastifizierabschnitt 4' einen Knetblock, der in seinem
förderaufseitigen Bereich um 90° versetzt montierte (neutrale) Knetscheiben und in sei
nem förderabseitigen Bereich um weniger als 90° in der Drehrichtung versetzt montierte
(rückfördernde) Knetscheiben aufweist, während der Knetblock des Dispergierab
schnitts 6' nur neutrale Knetscheiben aufweist.
Bei der Schnecke 3* enthält der Mastifizierabschnitt 4* einen Knetblock, der in seinem
förderaufseitigen Bereich um weniger als 90° entgegen der Drehrichtung versetzt mon
tierte (fördernde) Knetscheiben und in seinem förderabseitigen Bereich um weniger als
90° in der Drehrichtung versetzt montierte (rückfördernde) Knetscheiben aufweist, wäh
rend der Knetblock des Dispergierabschnitts 6* nur neutrale Knetscheiben aufweist. Im
Gegensatz zur Schnecke 3 haben hier aber die Knetblöcke des Mastifizierabschnitts 4*
als auch des Dispergierabschnitts 6* jeweils in ihrem förderaufseiten Bereich Knet
scheiben mit grösserem Durchmesser als im förderabseitigen Bereich, d. h., die Spalt
breite zwischen den Kämmen der Knetscheiben und der Gehäuse-Innenwand nimmt
entlang der Produktförderrichtung zu. Diese Konfiguration wirkt ebenfalls fördernd.
Fig. 3a zeigt einen Knetblock in radialer Richtung betrachtet, der aus zwei Knetscheiben
8, 10 besteht, die um 90° um die Schneckenachse verdreht angeordnet sind. Die Breite
B der Knetscheiben 8, 10 ist etwa die Hälfte des Durchmessers D der Knetscheiben,
wobei der Durchmesser als "maximaler Durchmesser" einer Knetscheibe 8, 10 von
Kamm 8a zu Kamm 8b bzw. von Kamm 10a zu Kamm 10b aufzufassen ist.
Fig. 3b zeigt den Knetblock der Fig. 3a in axialer Richtung betrachtet. Hier erkennt man
die Innenverzahnung 10c, mit der die Knetscheiben 8, 10 formschlüssig und um eine
bestimmte Zahl von Zähnen in Umfangsrichtung versetzt auf komplementäre Aussen
verzahnungen der Schneckenwellen (nicht gezeigt) montiert werden können.
Fig. 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Spaltbreite bzw. Knetscheiben-Durchmesser
und erforderlichem Schnecken-Drehmoment. Man erkennt, dass mit abnehmendem
Knetscheiben-Durchmesser D, d. h., mit zunehmender Spaltbreite Z zwischen den Knet
scheiben-Kämmen und der Gehäuse-Innenwand, das notwendige Schneckenwellen-
Drehmoment und damit die aufzubringende Energie abnimmt. Überraschenderweise
blieb die Dispersion des Endprodukts praktisch unverändert.
Eine geringfügige Abhängigkeit des Schneckenwellen-Drehmoments von der Drehzahl
ist ebenfalls ersichtlich. Im Bereich von 100 U/min bis 300 U/min nimmt das erforderli
che Drehmoment mit steigender Drehzahl ab. So konnte z. B. bei einer Drehzahl von
300 U/min durch Verringerung des Knetscheiben-Durchmessers D um 1,5 mm, d. h.,
durch Erhöhung der Spaltbreite Z um 0,75 mm über jedem Kamm der Knetscheibe, ei
ne Verringerung des Schneckenwellen-Drehmoments von 28 Nm auf 15 Nm gemessen
werden.
Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch einen die erfindungsgemässen Knetscheiben 8 aufwei
senden Ringtextruder 30 senkrecht zu seiner Längsachse. Er enthält zwölf gleichsinnig
drehende Schneckenwellen 33. In der Schnittebene befindet sich jeweils eine auf der
jeweiligen Schneckenwelle 33 montierte Knetscheibe 8, deren Kämme 8a, 8b mit der
Gehäuse-Innenwand 9 des Extruders 30 einen Spalt der Spaltbreite Z bilden, der etwa
1/10 des Knetscheiben-Durchmessers D beträgt. Der Extruder 30 hat sowohl eine in
nenliegende Kernkühlung 32 als auch eine aussenliegende Gehäusekühlung 31.
1
Extrudergehäuse
1
a,
1
b förderaufseitiges, förderabseitiges Ende
2
Einfüllzone/Förderzone (auf Gehäuse
1
bezogen)
2
a,
2
b,
2
c förderaufseitiger, mittiger, förderabseitiger Teilbereich
3
,
3
* Schneckenwelle
4
Mastifizierzone (auf Gehäuse
1
bezogen)
5
Motor/Getriebe-Block
6
Dispergierzone (auf Gehäuse
1
bezogen)
2
',
2
* Einfüllabschnitt (auf Schnecke
3
,
3
* bezogen)
4
',
4
* Mastifizierabschnitt (auf Schnecke
3
,
3
* bezogen)
6
',
6
* Dispergierabschnitt (auf Schnecke
3
,
3
* bezogen)
7
,
7
',
7
" Vorratsgefäss
8
,
10
Knetelement/Knetscheibe
8
a,
8
b,
10
a,
10
b Kamm
9
Gehäuse-Innenwand
8
c,
10
c Innenverzahnung
12
Dosiereinheit
13
,
14
,
15
Dosierleitung
12
,
13
,
14
,
15
Dosiervorrichtung
16
,
18
Entgasungsöffnung
41
,
42
,
43
, . . . Mastifizier-Knetscheiben (= Knetblock) auf Schneckenwelle
3
61
,
62
,
63
, . . . Dispergier-Knetscheiben (= Knetblock) auf Schneckenwelle
3
41
*,
42
*,
43
*, . . . Mastifizier-Knetscheiben (= Knetblock) auf Schneckenwelle
3
*
61
*,
62
*,
63
*, . . . Dispergier-Knetscheiben (= Knetblock) auf Schneckenwelle
3
*
30
Ringtextruder
31
Gehäusekühlung
32
Kernkühlung
Claims (30)
1. Mehrwellen-Extruder mit mindestens zwei Wellen zur Aufbereitung
und/oder Verarbeitung eines mit Füllstoff versetzten Elastomers, insbesondere Kau
tschuk, mit mindestens einem Weichmacher und/oder Zusätzen, wobei der Extruder in
der Richtung des Produkttransports aufeinanderfolgend aufweist:
eine Einfüllzone (2), in welcher das Elastomer sowie der Weichmacher und/oder die Zusätze eindosiert wird bzw. werden;
eine Mastifizier-/Plastifizierzone (4) mit mindestens einem Knetelement (8, 10), in welcher das Elastomer mit dem Weichmacher und/oder den Zusätzen in eine fliessfähige zusammenhängende Mischung (Compound) überführt wird; und
eine Dispergierzone (6) mit mindestens einem weiteren Knetelement (8, 10), in wel cher der Füllstoff in dem Elastomer zerkleinert und verteilt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Kamm (8a, 8b, 10a, 10b) der Knetelemente (8, 10) und der Gehäuse- Innenwand (9) des Extruders ein Spalt mit einer Spaltbreite Z von etwa 1/100 bis etwa 1/10 des Knetelement-Durchmessers D vorhanden ist.
eine Einfüllzone (2), in welcher das Elastomer sowie der Weichmacher und/oder die Zusätze eindosiert wird bzw. werden;
eine Mastifizier-/Plastifizierzone (4) mit mindestens einem Knetelement (8, 10), in welcher das Elastomer mit dem Weichmacher und/oder den Zusätzen in eine fliessfähige zusammenhängende Mischung (Compound) überführt wird; und
eine Dispergierzone (6) mit mindestens einem weiteren Knetelement (8, 10), in wel cher der Füllstoff in dem Elastomer zerkleinert und verteilt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen dem Kamm (8a, 8b, 10a, 10b) der Knetelemente (8, 10) und der Gehäuse- Innenwand (9) des Extruders ein Spalt mit einer Spaltbreite Z von etwa 1/100 bis etwa 1/10 des Knetelement-Durchmessers D vorhanden ist.
2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des
Spalts und der Drehzahlbereich der die Knetelemente tragenden Wellen derart bemes
sen sind, dass Scherraten von etwa 10/s bis etwa 3000/s, insbesondere zwischen 30/s
und 1000/s, erzielt werden.
3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Do
siervorrichtung (12, 13) zur Eindosierung von Weichmacher und/oder Zusätzen im för
deraufseiten Endbereich (2a) der Einfüllzone (2) vorgesehen ist.
4. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
dass eine Dosiervorrichtung (12, 13, 14, 15) zur Eindosierung von Weichmacher
und/oder Zusätzen entlang der Produkt-Förderrichtung über mindestens einen Teilbe
reich (2a, 2b, 2c) der Einfüllzone (2) verteilt vorgesehen ist.
5. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Mastifizier-/Plastifizierzone (4) und/oder die Dispergierzone (6) je
weils eine Entgasungsöffnung (16, 18) aufweisen.
6. Extruder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfüllzone
(2) oder der Förderbereich eine Vorrichtung für die dosierte Zufuhr von Wasser auf
weist.
7. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Mastifizier-/Plastifizierzone (4) sowie die Dispergierzone (6) jeweils
einen Knetblock aus einer Vielzahl in axialer Richtung aneinandergesetzter Knetschei
ben (41, 42, 43, . . . bzw. 61, 62, 63, . . .) aufweisen.
8. Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B der
Knetscheiben im Bereich zwischen etwa 1/6 des Durchmessers D und etwa 1 Durch
messer D der Knetscheiben (41, 42, 43, . . ., 61, 62, 63, . . .) liegt.
9. Extruder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an
einandergesetzten Knetscheiben (41, 42, 43, . . . bzw. 61, 62, 63, . . .) jeweils um 90° zu
einander versetzt sind.
10. Extruder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die an
einandergesetzten Knetscheiben um weniger als 90° in der Drehrichtung versetzt
(rückfördernd) oder um weniger als 90° gegen die Drehrichtung versetzt (fördernd) an
geordnet sind.
11. Extruder nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
dass der maximale Durchmesser D der Knetscheiben (41, 42, 43, . . .; 41*, 42*, 43*, . . .)
des Mastifizierabschnitts (4'; 4*) der entlang der Produktförderrichtung abnimmt.
12. Extruder nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
dass der maximale Durchmesser D der Knetscheiben (61, 62, 63, . . .; 61*, 62*, 63*, . . .)
des Dispergierabschnitts (6'; 6*) entlang der Produktförderrichtung abnimmt.
13. Extruder nach einem der Ansprüche 7 bis 10 oder nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser D der Knetscheiben (41, 42,
43, . . .; 41*, 42*, 43*, . . .) des Mastifizierabschnitts (4'; 4*) der entlang der Produktförder
richtung zunimmt.
14. Extruder nach einem der Ansprüche 7 bis 11 oder nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Durchmesser D der Knetscheiben (61, 62,
63, . . .; 61*, 62*, 63*, . . .) des Dispergierabschnitts (6'; 6*) entlang der Produktförderrich
tung zunimmt.
15. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Durchmesser jeweils einer Knetscheibe (41, 42, 43,. . .; 41*, 42*,
43*, . . .; 61, 62, 63, . . .; 61*, 62*, 63*, . . .) entlang deren Breite an verschiedenen axialen
Positionen unterschiedlich ist.
16. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Einfüllzone (2) oder der Förderbereich mindestens so lang wie die
Summe der Längen der Mastifizier-/Plastifizierzone (4) und der Dispergierzone (6) ist.
17. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass die Einfüllzone (2) distributive bzw. nicht dichtkämmende Elemente auf
weist.
18. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Mehrwellen-Extruder ein Ringtextruder (30) ist, der sowohl eine Ge
häuse- als auch eine Kernkühlung (31, 32) aufweist.
19. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, dass der Extruder an seinem förderabseitigen Ende eine Formgebungsein
richtung aufweist.
20. Extruder nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen
dem förderabseitigen Extruderende und der Formgebungsvorrichtung ein Austragsap
parat vorgesehen ist.
21. Verfahren zur Aufbereitung und/oder Verarbeitung eines mit Füllstoff ver
setzten Elastomers, insbesondere Kautschuk, mit einem Weichmacher und/oder Zusät
zen, mittels eines Extruders nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte aufweist:
- - Eindosieren des Elastomers sowie des Weichmachers und/oder der Zusätze;
- - Mastifizieren/Plastifizieren des Produkts mit mindestens einem Knetelement, wobei das Elastomer mit dem Weichmacher und/oder den Zusätzen in den Zustand einer fliessfähigen zusammenhängenden Mischung gebracht wird; und
- - Dispergieren des Produkts mit mindestens einem weiteren Knetelement, wobei der Füllstoff in dem Elastomer zerkleinert und verteilt wird, gekennzeichnet durch
- - Betreiben der die Knetelemente tragenden Wellen derart, dass Scherraten von etwa 10/s bis etwa 3000/s, insbesondere zwischen 30/s und 1000/s, zwischen den Käm men der Knetelemente und der Gehäuse-Innenwand erzielt werden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Weich
macher und/oder die Zusätze in einem förderaufseiten Endbereich (2a) der Einfüllzone
(2) eindosiert werden.
23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Weich
macher und/oder die Zusätzen entlang der Produkt-Förderrichtung über mindestens
einen Teilbereich (2a, 2b, 2c) der Einfüllzone (2) verteilt eindosiert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Weich
macher und/oder die Zusätze in einem förderabseitigen Teilbereich (2c) der Einfüllzone
(2) eindosiert werden.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeich
net, dass im Bereich der Mastifizier-/Plastifizierzone (2) und/oder der Dispergierzone (4)
entgast wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 25, dadurch gekennzeich
net, dass im Bereich der Einfüllzone (2) dosiert Wasser hinzugefügt wird.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26 unter Verwendung eines
Extruders nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das Gehäuse als
auch der Kern des Mehrwellen-Extruders (30) gekühlt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 27, dadurch gekennzeich
net, dass am förderabseitigen Ende des Extruders das Produkt ausgetragen wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem
Austragen des Produktes eine Formgebung des Produktes stattfindet.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 29, dadurch gekennzeich
net, dass Teile der Zusätze und/oder Weichmacher bereits im aufzubereitenden bzw. zu
verarbeitenden Elastomer integriert sind.
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