DE102005015538A1

DE102005015538A1 - Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk

Info

Publication number: DE102005015538A1
Application number: DE102005015538A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Limper; Bruno Muth
Original assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Current assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2006-10-05
Also published as: WO2006105756A1; DE112006001490A5

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk, der einen Zylinder mit einem Einzugsbereich aufweist, in dem eine Speisewalze sowie eine Einzugsöffnung angeordnet sind, wobei der Zylinder auf seiner Innenseite im Einzugsbereich Nuten aufweist. Damit auch schräg zum Schneckensteg angeordnete Nuten auf der Innenseite des Zylinders zu einem erhöhten Druck-Durchsatz-Verhalten führen, sind die Nuten in Richtung der Zylinderlängsachse lediglich auf einem Teilbereich des Einzugsbereichs und im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Kautschuk verarbeitenden Industrie werden, insbesondere ab einem Schneckenaußendurchmesser größer 120mm, sogenannte Stiftextruder eingesetzt. Extruder dieser Bauart sind beispielsweise aus der DE 22 35 784 C3 und DE 30 03 615 C2 bekannt.

Der bekannte Extruder weist einen Zylinder mit einer darin drehbar gelagerten und von einem Motor antreibbaren Schnecke auf, wobei Metallstifte radial durch den Zylinder in den Arbeitsbereich der Schnecke ragen und die Schnecke in dieser Zone unterbrochene Schneckenstege aufweist.

Mit diesem Extrudertyp werden höhere Ausstoßleistungen respektive Massedurchsätze bei gleichzeitig guter Homogenität des extrudierten Produkts im Vergleich zu konventionellen kalt gefütterten Kautschuk-Extrudern ohne Stifte erreicht.

Diese Vorteile haben dazu geführt, dass der Stiftextruder in den letzten 30 Jahren in der Reifenindustrie der bei weitem häufigst eingesetzte Extrudertyp ist.

Unabhängig davon wurde der sogenannte Transfermisch-Extruder entwickelt ( DE 1142 839 A1 ). Dieser Extrudertyp weist ein, in Förderrichtung betrachtet, vor dem Einzugsbereich angeordnetes Transfermischteil auf. In dieser Zone des Extruders weist der Zylinder auf seiner Innenwand Nuten auf, die in axialer Förderrichtung des Extruders zunächst in ihrer Tiefe zunehmen und anschließend wieder abnehmen bis kein Nutengrund mehr vorhanden ist. Der Gangtiefeverlauf der Schnecke ist dem Verlauf der Nuttiefe genau entgegengesetzt, d.h. mit zunehmender Nuttiefe, reduziert sich die Gangtiefe und umgekehrt. Hierdurch wird erreicht, dass die Kautschukschmelze bei Rotation der Schnecke komplett durch die Nuten im Zylinder geführt wird, wodurch wiederum eine gute Mischwirkung erreicht wird.

Der Transfermisch-Extruder konnte sich jedoch nicht gegenüber Stift-Extruder durchsetzen, da seine Massedurchsätze zu gering sind.

Bei der Extrusion von Kunststoffen, bspw. Thermoplasten, ist es bekannt (s. EP 0062203 B1 ) Nuten im Einzugsbereich des Extruders vorzusehen, um den Kunststoff im Feststoffbereich in seinem granulatförmigen Zustand bei hohen Druckaufbau zu fördern. Hierbei bestimmt sich der Durchsatz und Druckaufbau in der Nutzone durch das Verhältnis aus Nutenquerschnitt und Granulatabmessung.

Wesentlich ist bei der Auslegung eines Nutbuchsenextruders für die Verarbeitung von Kunststoffen, dass die Nuten nur im Feststoff-Förderbereich des Extruders angeordnet sind, da hierdurch eine formschlüssige Förderung realisiert werden kann. Sind die Nuten dagegen im Schmelzebereich des Extruders also im Fließbereich des zu verarbeitenden Kunststoffs angeordnet, so bricht der Durchsatz sowie der Druckaufbau zusammen. Bei Erreichen der Schmelzetemperatur des zu verarbeitenden Kunststoffs geht der Kunststoff vom feststoff- in den schmelzeförmigen Zustand über.

Darüber hinaus ist es aus der DE 3133 708 C2 zur Verarbeitung von Polymerschmelzen bekannt, den Zylinder auf seiner Innenseite im Einzugsbereich mit wendelförmigen Nuten zu versehen, welche sich über den gesamten Einzugsbereich erstrecken. Diese Art der Nutgeometrie zählt auch bei kaltgefütterten Stiftextrudern zur Verarbeitung von Kautschuken zum Stand der Technik, wobei der dem Extruder zugeführten Kautschuk bereits bei seiner Fütterung im schmelzeförmigen Zustand vorliegt. Die wendelförmigen Nuten sind bei dieser Technikstand so ausgerichtet, dass diese im wesentlichen senkrecht zum Schneckensteg stehen. Durch diese Ausrichtung gelingt es, die Kautschuk-Schmelze vom Schneckensteg wirksam durch die Nuten zu fördern. Demgegenüber besteht bei einer schrägen Anordnung von Nuten zum Schneckensteg die Gefahr, dass die Kautschuk-Schmelze in den Nuten durch den rotierenden Schneckensteg wie von einem Messer abgeschnitten und nicht gefördert wird.

Ausgehend von dem bekannten Stiftextruder mit Nuten im Einzugsbereich stellt sich daher die Aufgabe, einen Extruder zur Verarbeitung von Kautschuken zu entwickeln, bei dem auch schräg zum Schneckensteg angeordnete Nuten des Extruders zu einem erhöhten Druck-Durchsatz-Verhalten führen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk, der einen Zylinder mit einem Einzugsbereich aufweist, in dem eine Speisewalze sowie eine Einzugsöffnung angeordnet sind, unterhalb dieser im Zylinder Nuten angeordnet sind, dadurch gelöst, dass die Nuten in Richtung der Zylinderlängsache lediglich auf einem Teilbereich des Einzugbereichs und im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet sind.

Durch diese spezielle Anordnung der Nuten wird erreicht, dass die Schmelze im geschlossenen Bereich des Zylinders sowohl durch die von der Schneckenrotation verursachte Strömung als auch von dem durch die Speisewalze induzierten Druck über die Nuten geführt wird. Durch die Nut-Positionierung in dem Einzugsbereich wird somit gewährleistet, dass der schmelzeförmige Kautschuk im Bereich der Einzugsöffnung selbst dann nicht abgeschert wird, wenn die Nuten gegenüber dem Schneckensteg nicht senkrecht angeordnet sind, wie es bei den wendelförmigen Nuten beim Stiftextruder nach dem Stand der Technik der Fall ist.

D. h. hierdurch können unterschiedlichste Nutgeometrien zur Erhöhung des Druckaufbauvermögens verwendet werden.

Ferner wird durch die Positionierung der Nuten in dem Einzugsbereich verhindert, dass die Schmelze bei Rotation der Schnecke an der Zylinderwand gleitet, da durch die Nuten die Kautschuk-Schmelze in einer Art Formschluss geführt wird.

Der Einfluss der Nutenlänge unterhalb der Fütteröffnung auf die vorgeschriebenen Effekte ist von den Materialeigenschaften des zu verarbeitenden Kautschuks abhängig. Deshalb sieht eine erste vorteilhafte Ausführung der Erfindung vor, dass die Nuten eine Länge unterhalb der Einzugsöffnung in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, welche höchstens 50% der Gesamt-Nutlänge beträgt während eine andere vorteilhafte Ausführung vorsieht, dass die Nuten nur außerhalb der Einzugsöffnung, in Förderrichtung betrachtet, vor der Einzugsöffnung angeordnet sind.

Damit durch die Nuten eine Zwangsförderung bzw. eine durch die Nuten geführte Strömung gewährleistet wird, weisen die Nuten eine Gesamt-Länge in Richtung der Zylinderlängsachse auf, die das ein- bis vierfache des Zylinderinnendurchmesser beträgt. Hintergrund hierfür ist, dass die Viskosität des Kautschuks in Förderrichtung sinkt, wobei zur Schmelzeführung eine hohe Viskosität benötigt wird.

Besonders vorteilhaft zur Führung der Kautschuk-Schmelze ist es, mehrere Nuten als Axial-Nuten auszubilden, da hierdurch eine schraubenartige Förderung mit sehr hohem Druckaufbau erzielt wird. Der hohe Druck ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Förderrichtung nachgeordnete Misch- und Scherelemente, welche üblicherweise Druck verbrauchen, ohne oder mit minimalen Durchsatzverlusten durchströmt werden sollen. Die analoge Betrachtung gilt für am Extruder angeschlossene Werkzeuge mit hohen Druckverbrauch. Ferner verbessert sich die Schmelzeführung dadurch, dass die Nuten eine rechteckige Ausprägung aufweisen.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung sieht zur Selbstreinigung des Extruders einen konischen Verlauf der Nuten vor.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung weist die Schnecke eine Gangsteigung in einer ersten im Bereich der Fütteröffung angeordneten Schnecken-Zone auf, welche größer als das 1,7 fache des Zylinderinnendurchmessers ist. Hierdurch wird ein erhöhter Durchsatz im Vergleich zu einer geringeren Gangsteigung erreicht.

Der erhöhte Durchsatz begründet sich dadurch, dass im Bereich der Fütteröffnung die Schnecke nicht vollständig vom Zylinder umschlossen ist und der Druckeinfluss im Bereich unterhalb der Fütteröffnung auf die Strömung geringer als im geschlossenen Bereich ist. Um einen hohen Durchsatz zu erzielen, ist deshalb die Gangsteigung im teilweise offenen Zylinderbereich unterhalb der Fütteröffnung höher als im geschlossenen Zylinderbereich zu wählen.

Dabei hat sich eine Gangsteigung in der ersten Schnecken-Zone als optimal herausgestellt, welche größer als das 2-fache und kleiner als das 2,8-fache des Zylinderinnendurchmessers ist.

Um bei einem Schnecken-Extruder ein thermisch und mechanisch homogenes Produkt ohne kalte Kerne zu extrudieren, weist die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone mit einer geringen Gangtiefe auf, welche dem 0,08-fachen bis 0,2-fachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht. Eine besonders gute Wirkung wird hierbei erzielt, wenn die Gangtiefe der zweiten Schnecken-Zone kleiner als das 0,15-fache des Zylinderinnendurchmessers ist.

Die erste und zweite Schnecken-Zone weisen zweckmäßigerweise unterschiedliche Gangsteigungen und/oder unterschiedliche Gangtiefen auf.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Schnecken-Zone und die Nuten im gleichen Bereich bezogen auf die Zylinderlängsachse angeordnet sind. Durch diese korrespondierende Anordnung wird erreicht, dass die Kautschukschmelze über die komplette Höhe des Gangs durch die Nuten geführt werden kann. Dies gelingt bei tiefer ausgebildeten Gängen nicht. Ferner wird hierdurch eine thermisch homogene Schmelzeverteilung im Schneckenkanal erreicht, da einerseits durch die geringe Gangtiefe bewirkt wird, dass der Anteil der Zirkularströmung im Schneckenkanal sowie die auf das Material wirkenden Schubspannung steigt. Mit der Zirkularströmung wird eine warme bereits gescherte Schicht der Kautschukschmelze durch den Schneckenkanal wendelförmig zwischen Schneckengrund und Zylinderwand in Richtung der Schneckenspitze transportiert, so dass bei steigenden Strömungsanteil der Zirkularströmung der Wärmeaustausch im Schneckenkanal verbessert wird. Ferner wird durch die hohe Schubspannung der Anteil der kalten Strömungsbereiche verringert oder gar verhindert, weil die durch eine Grenzschubspannung charakterisierte Fließgrenze des Kautschuks überschritten wird.

Die Nuten auf der Zylinderinnenseite bzw. Zylinderwand verhindern ein Gleiten der Kautschukschmelze an der Zylinderwand, so dass ein hoher Massedurchsatz erreicht wird.

Um ein hohes Druck-Durchsatzverhalten zu erreichen, weist die Schnecke eine, in Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone angeordnete dritte Schnecken-Zone auf, welche gegenüber der zweiten Schnecken-Zone eine modifizierte Geometrie aufweist und sich in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung unterscheidet.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schnecken-Extruders zur Verarbeitung von Kautschuken beschrieben.
Der Schnecken-Extruder des Ausführungsbeispiels weist eine in einem Zylinder drehbar gelagerte und über einen Motor antreibbare Schnecke auf, mit der Kautschuk bei Rotation der Schnecke durch den Zylinder transportiert wird.
Das Kautschukmaterial wird dem Extruder bspw. streifenförmig über einen Trichter und eine Einzugsöffnung im Einzugsbereich des Zylinders zugeführt. Die Einzugsöffnung zeichnet sich durch eine Aussparung im Zylinder aus, unterhalb dieser eine antreibbare drehbare Speisewalze angeordnet ist, welche den Einzug des Kautschuks in den Extruder unterstützt. Der Einzugbereich entspricht in seiner Länge dem 3 bis 5-fachen des Zylinderinnendurchmessers und besteht aus einem einzelnen Zylindersegment mit einer innenseitig montierten Buchse, welches über ein Stift-Zylindersegment mit einem Austragszylindersegment verbunden ist.
In dem Einzugsbereich weist der Zylinder auf seiner Innenseite im Arbeitsbereich der Schnecke mehrere Nuten auf, welche umfangsseitig gleichmäßig verteilt sind. Denkbar ist aber auch nur eine einzige Nut vorzusehen. In der vorliegenden Ausführung des Schnecken-Extruders sind die Nuten auf der Innenseite der Buchse eingebracht. Erfindungsgemäß sind die Nuten in Richtung der Zylinderlängsachse lediglich in einem Teilbereich des Einzugsbereichs und im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet. D.h. die Nuten sind nicht unterhalb der gesamten Einzugsöffnung bezogen auf die Zylinderlängsachse vorgesehen. Vorzugsweise beträgt die Länge der Nuten unterhalb der Einzugsöffnung höchstens 50% der Gesamt-Nutlänge, wobei sich die Länge der Nuten in Richtung der Zylinderlängsachse bestimmt.
Da die Viskosität über die Schneckenlänge in Extrusionsrichtung bzw. Förderrichtung abnimmt, beträgt die Gesamt-Länge der Nuten, bezogen auf die Zylinderachse, das ein- bis vierfache des Zylinderinnendurchmessers. Bei dieser Länge liegt noch eine hochviskose und über die Nuten führbare Schmelze im Schneckenkanal vor. Um die Fertigungskosten bei der Nutherstellung gering zu halten und insbesondere eine schraubenartige Förderung mit hohem Druckaufbau sicherzustellen, sind die Nuten als Axial-Nuten ausgebildet.
Ferner weisen die Nuten einen konischen Verlauf auf, um die Selbstreinigung des Extruders zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die Nuten rechteckig ausgestaltet, um eine formschlüssige Führung der Schmelze sicherzustellen.
Zur Durchsatzoptimierung hat die Schnecke in einer erste Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffung eine Gangsteigung, welche größer als das 1,7-fache des Zylinderinnendurchmessers ist. Bei der vorliegenden Ausführung des Schnecken-Extruders liegt die Gangsteigung zwischen dem 2-fachen und 2,8-fachen des Zylinderinnendurchmessers, damit die Schnecke besonders viel Kautschuk pro Zeiteinheit einzieht.
Damit keine kalten und ungescherten Strömungsbereiche (Kerne) im Schneckenkanal entstehen, weist die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone auf, bei der die Gangtiefe dem 0,08-fachen bis 0,2-fachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht. Ein besonders homogenes Temperaturprofil ohne kalte Strömungsbereiche ergibt sich bei einer Gangtiefe, welche kleiner als 0,17-fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Thermische Inhomogenitäten entstehen auch im Schneckenkanal, wenn die Kautschuk-Schmelze bei Rotation der Schnecke an der Zylinderwand gleitet und nicht haftet. Um ein Gleiten der Schmelze an der Zylinderwand zu verhindern, sind die Nuten im Bereich der zweiten Schneckenzone, bezogen auf die Zylinderlängsachse, angeordnet. D.h. der Bereich der Nuten und zweiten Schnecken-Zone mit der geringen Gangtiefe sind korrespondierend zueinander angeordnet. Zur weiteren Verbesserung der thermischen sowie mechanischen Homogenität sind der zweiten Schnecken-Zone eine oder mehrere Schnecken-Zonen mit Mischelementen wie Scherelemente, distributive Mischelemente etc. nachgeordnet, welche bei Betrieb des Extruders ohne Durchsatzverluste aufgrund des hohen Druckaufbaus im Nut-Bereich durchströmt werden können. Dabei sind die Nuten vorzugsweise exakt axial in Bezug auf die Schneckenachse ausgebildet, da bei dieser Ausrichtung die unterkühlte Kautschukschmelze schraubenförmig gefördert wird, wodurch ein extrem hoher Druckaufbau erzielt wird.
Zur Anpassung der Schneckengeometrie an die unterschiedlichen Fördermechanismen innerhalb der ersten und zweiten Schnecken-Zone weisen die beiden Zonen unterschiedliche Gangsteigungen und/oder Gangtiefen auf.
Ferner umfasst die Schnecke dieser Ausführung eine, in Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone angeordnete dritte Schnecken-Zone auf. Diese Zonen unterscheiden sich in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung.

Claims

Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuk, der einen Zylinder mit einem Einzugsbereich aufweist, in dem eine Speisewalze sowie eine Einzugsöffnung angeordnet sind, wobei der Zylinder auf seiner Innenseite im Einzugsbereich Nuten aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in Richtung der Zylinderlängsache lediglich auf einem Teilbereich des Einzugbereichs und im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet sind.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Einzugsöffnung die Nuten eine Länge in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, welche höchstens 50% der Gesamt-Nutlänge beträgt.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten, in Förderrichtung betrachtet, lediglich vor der Einzugsöffnung angeordnet sind.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten eine Gesamt-Länge in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, die das ein- bis vierfache des Zylinderinnendurchmesser betragen.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nuten als Axial-Nuten ausgebildet sind.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten konisch verlaufen.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten rechteckig ausgebildet ist.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke in einer ersten Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffung eine Gangsteigung aufweist, welche größer als das 1,7-fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schnecken-Zone eine Gangsteigung aufweist, die größer als das 2,0-fache und kleiner als das 2,8-fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone mit einer Gangtiefe aufweist, die dem 0,08-fachen bis 0,2-fachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und erste Schnecken-Zone unterschiedliche Gangsteigungen und/oder Gangtiefen aufweisen.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnecken-Zone und die Nuten im gleichen Bereich bezogen auf die Zylinderlängsachse angeordnet sind.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke eine, in Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone angeordnete dritte Schnecken-Zone aufweist, welche sich von der zweiten Schnecken-Zone in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung unterscheidet.