DE10134701B4 - Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen Herstellung von Kautschukmischungen - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Kautschukmischungen mittels eines Doppelschneckenextruders, wobei dem Doppelschneckenextruder plastifizierter Kautschuk mit vorgebbarem Volumenstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk mit einer unabhängig vom Volumenstrom gewählten Temperatur zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Kautschukmischungen mittels eines Doppelschneckenextruders gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
  • Bisher werden Kautschukmischungen fast ausschließlich diskontinuierlich in sogenannten Innenmischern hergestellt. Eine kontinuierliche Herstellung – wie in der Kunststoffindustrie sonst üblich – hätte qualitative und kostenmäßige Vorteile.
  • Versuche, auch Kautschukmischungen kontinuierlich auf Doppelschneckenextrudern zu compoundieren, sind seit längerer Zeit bekannt (DE-Z. Gummi Fasern Kunststoffe, Capelle, G. „Kont. Herstellung von Kautschukmischungen auf Zweischnecken-Extrudern", 49 (1996) 6, Seiten 470–473; DE-Z. Kautschuk Gummi Kunststoffe, Uphus, Skibba, Schuster „Cont. Mixing of Powder Rubber on the Twin Screw Extruder"; 4/2000 S.279–289; DE 40 39 943 A1 ).
  • Entscheidende Probleme hierbei sind:
    • • Um kontinuierlich dosieren zu können und die vorgegebene Rezeptur einzuhalten, muss der Kautschuk in einer dosierfähigen Form vorliegen, also z. B. als Pulver, Granulat usw.
    • • Dies bedeutet üblicherweise einen teuren Aufbereitungsschritt (Mahlen des Ballenkautschuks und Trennen der Körper oder andere Aufbereitungsverfahren, wie z. B. Pulverkautschukherstellung, Gasphasen-EPDM).
    • • Für die Dosierung selbst muss ein verhältnismäßig teures Dosiersystem verwendet werden.
    • • Bei weitem nicht alle Kautschuktypen und ggf. in Kombination mit Ruß oder Kieselsäure als Füllstoff können in dieser Form angeboten werden.
    • • Ein weiteres, sehr wesentliches Problem besteht darin, dass durch die im Vergleich zu Kunststoffschmelzen wesentlich höhere Viskositäten durch innere Reibung (Dissipation) viel Wärme erzeugt wird, die die Mischung schädigen kann. Aus diesem Grund muss die Drehzahl und damit der Durchsatz der Anlage kleingehalten werden. Dies bedeutet wirtschaftliche Nachteile.
    • • Bei kleinen Drehzahlen ist aber auch bald die Grenze des verfügbaren Drehmomentes erreicht.
  • In der Praxis wird das Material üblicherweise kalt in den Doppelschneckenextruder gefüttert. Ein großer Teil des Antriebsmoments muss dann nur zum Aufwärmen der Kautschukmischungen von z.B. 20° C auf 100° C verbraucht werden. In den üblichen Innenmischern geht man z. B. von ca. 0,2 kWh/kg an spezifischer Antriebsenergie aus, die benötigt wird, eine übliche Kautschukmischung zu compoundieren. Bei einer angenommenen durchschnittlichen spezifischen Wärmekapazität von 2.000 J/(kg K) für den Kautschuk braucht man alleine für das Aufwärmen (Plastifizieren) ca. 0,0444 kWh/kg bzw. ca. 22 %. Bei vorgegebener Drehzahl heißt dies auch ca. 22 % des verfügbaren Drehmoments.
  • Aus der DE 693 12 246 T2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen von Kautschuk beschrieben, bei dem ein Kautschukmaterial mit einem Schneidmesser zerkleinert und über eine volumetrische Pumpe in Form einer Zahnradpumpe einem Mischer zugeführt wird. Der Mischer ist als Rotor mit verschiedenen Arbeitsabschnitten ausgebildet. Mittels Dosier- und Zwangseinleitungssystemen können Zugabestoffe dem Rotor zugeführt werden.
  • Aus der DE 196 35 706 A1 ist ein Verfahren zum Plastifizieren und Fördern hochviskoser polymerer Schmelzen bekannt. Dabei wird eine Kunststoff- und/oder Kautschukmischung mittels einer Zahnradpumpe einer Schneckenmaschine zugeführt. Je nach Betrieb der Zahnradpumpe kann mehr oder weniger Material der Schneckenmaschine zugeführt werden. Dabei bestimmt sich auch die Temperatur des Materials aufgrund der Antriebsgeschwindigkeit der Zahnradpumpe.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen Kautschukmischungen mittels eines Doppelschneckenextruders mit vergleichsweise geringem Energieaufwand – kontinuierlich gemischt werden können, wobei die Betriebsbedingungen entsprechend der Forderung der Rezeptur gewählt werden können.
  • Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 3. Dabei wird dem Doppelschneckenextruder eine bereits plastifizierte Kautschukmischung mit vorgebbarer Temperatur und vorgebbarem Volumenstrom zugeführt wird. Dabei kann die Temperatur des plastifizierten Kautschuks in einem weiten Regelbereich variiert werden. Als Einsatzmaterial kann dabei auch in Streifen geschnittener Ballenkautschuk verwendet werden.
  • Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass im bzw. mit dem Doppelschneckenextruder nicht mehr die zum Plastifizieren der Kautschukmischung notwendige Energie aufgebracht werden muss.
  • Anlagenmäßig eignet sich hierzu die Kombination eines Kurzschneckenextruders mit einer angeschlossenen Zahnradpumpe, die dann ihrerseits an den Eingang des Doppelschneckenextruders angeschlossen ist.
  • Hierdurch ergeben sich gleich mehrere Vorteile:
    • Es kann konventioneller Ballenkautschuk verwendet werden, der nur vorher über eine üblicherweise vorhandenen Kautschukspalter in relativ dicke Streifen gespaltet wurde: d.h. der Kautschuk muss nicht mit Trennmittel behandelt werden; bzw. es muss kein teurer Kautschuk in Pulver – oder Granulatform benutzt werden. Selbstverständlich können aber auch andere Rohstoffformen wie Pulver, Granulat oder Streifen benutzt werden.
    • Durch die mehr oder weniger von Gegendruck unabhängige volumetrische Betriebsweise der Zahnradpumpe kann dem Doppeischneckenextruder ein konstanter Volumenstrom (d.h. bei konstanter Dichte auch konstanter Massestrom) zugeführt werden, der der Forderung der Rezeptur entspricht.
    • Durch die voneinander unabhängige Betriebsweise des Kurzextruders und der Zahnradpumpe kann die Temperatur des plastifizierten Kautschuks in einem weiten Regelbereich durch Ändern der Extruderdrehzahl bei vorgegebener Pumpendrehzahl variiert werden, d.h. die Plastifizierleistung wird durch die Extruder Zahnradpumpen-Kombination übernommen, so dass die hierfür erforderliche Leistung wieder dem Doppelschneckenextruder zur Verfügung steht. Dies bedeutet gegenüber der bisherigen Praxis, höherer Durchsatz bei konstanter Drehzahl oder gleicher Durchsatz bei niedrigerer Drehzahl.
    • Bei einigen Anwendungen, wie z.B. dem Silanisieren von Kieselsäure-haltigen Mischungen, muss auch eine chemische Reaktion durchgeführt werden. Diese findet beispielsweise bei 140°C statt. Diese Massetemperatur kann erfindungsgemäß durch den Kurzextruder aufgebracht werden. Die Verweilzeit der Masse im Doppelschneckenextruder kann damit komplett bei Reaktionstemperatur sein.
    • Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Baulänge des Doppelschneckenextruders um die Aufwärmlänge kürzer sein kann.
  • Die Erfindung soll nachfolgend an einem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel erläutert werden. Dabei zeigt:
  • 1 schematisch den Aufbau der Vorrichtung und
  • 2 den Kurzschneckenextruder mit der angeschlossenen Zahnradpumpe.
  • Der in der 1 gezeigte Doppelschneckenextruder 2 weist einen üblichen Antrieb 1 auf. Nicht dargestellt ist in der Zeichnung die Ausgestaltung des vorderen Bereiches des Doppelschneckenextruders mit dem Extruderkopf, da es sich hierbei um übliche Bauelemente handelt.
  • An den Einlass des Doppelschneckenextruders ist eine Zahnradpumpe 3 angeschlossen, die mit einem Kurzschneckenextruder 5 verbunden ist. Der Raum zwischen den Schnecken des Doppelschneckenextruders und der Zahnradpumpe ist dabei so gering wie möglich gehalten, d.h. der Außendurchmesser der Verzahnung der Zahnradpumpe befindet sich in sehr geringem Abstand von der Außenverzahnung der Schnecken des Doppelschneckenextruders. Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass bei einem Mischungswechsel der Reinigungsaufwand erheblich verringert ist.
  • Der Antrieb für die Zahnradpumpe ist mit 4 und der für den Kurzschneckenextruder mit 6 bezeichnet.
  • In der 2 ist vergrößert der Schnitt AA dargestellt, wobei hieraus die Kombination Zahnradpumpe 3 und Kurzschneckenextruder 5 zu ersehen ist. Mit 7 ist der Füttertrichter für den Kurzschneckenextruder 5 bezeichnet.
  • Wie vorher bereits beschrieben, wird der Kurzschneckenextruder 5 durch den Trichter 7 mit einer in Streifen geschnittenen Kautschukmischung gefüttert. Im Kurzschneckenextruder erfolgt die Plästifizierung des Materials, wobei einerseits durch das Zusammenwirken von Extruder und Zahnradpumpe andererseits durch deren voneinander unabhängige Betriebsweise die Temperatur des plastifzierten Kautschuks vor der Übergabe an den Doppelschneckenextruder in einem werten Regelbereich beeinflussbar ist. Die auf diese Weise eingestellte Kautschukmasse wird dann vom Doppelschneckenextruder in bekannter Weise unter Zugabe der sonstigen Mischungsbestandteile wie z.B. Russ, Öl gemischt.

Claims (4)

  1. Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Kautschukmischungen mittels eines Doppelschneckenextruders, wobei dem Doppelschneckenextruder plastifizierter Kautschuk mit vorgebbarem Volumenstrom zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kautschuk mit einer unabhängig vom Volumenstrom gewählten Temperatur zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial in Streifen geschnittener Ballenkautschuk verwendet wird.
  3. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend einen kurzen Schneckenextruder (5), der mit einem Einlass (7) für das zu extrudierende Material versehen ist, eine Zahnradpumpe (3), die einlassseitig mit dem kurzen Schneckenextruder (5) verbunden ist und deren Auslass direkt an die Einlassseite eines Doppelschneckenextruders (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass getrennt regelbare Antriebe (4; 6) für die Zahnradpumpe (3) und den Kurzschneckenextruder (5) vorgesehen sind und die Betriebsweisen der Zahnradpumpe (3) sowie des Kurzschneckenextruders (5) unabhängig voneinander wählbar sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass der Zahnradpumpe (3) derart nahe dem Einlass des Doppelschneckenextruders (2) angeordnet ist, dass sich der Außendurchmesser der Verzahnung der Zahnradpumpe in geringem Abstand von der Außenverzahnung der Schnecke des Doppelschneckenextruders befindet.
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