DE102011101775A1 - Extruder zur Plastifizierung von thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Extruder, insbesondere einen Einschneckenextruder zur Plastifizierung thermoplastischer Kunststoffe, mit einer Schnecke, deren geometrische Gestaltung im Plastifizierbereich die Trennung von unplastifiziertem Kunststoff und fließfähiger Schmelze ermöglicht. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zylinder im Plastifizierbereich in Längs- und Umfangsrichtung lokal begrenzte Vertiefungen aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Extruder, insbesondere einen Einschneckenextruder, zur Plastifizierung von thermoplastischen Kunststoffen.
• In der Kunststoffverarbeitung werden Einschneckenextruder insbesondere zur Plastifizierung von thermoplastischen Formmassen eingesetzt. Die Grundfunktion des Einschneckenextruders besteht aus a) Einziehen und gleichmäßiger Förderung einer rieselfähigen thermoplastischen Formmasse, b) Umwandlung des Aggregatzustands von Feststoff in Schmelze – in der Regel mit dem Begriff Plastifizierung beschrieben – und c) Druckaufbau zur Überwindung des Druckbedarfs eines nachgeschalteten Werkzeugs, indem die Formgebung der Schmelze erfolgt.
• Die unter a), b) und c) genannten Aufgaben finden im Bilanzraum der Verfahrenseinheit eines Einschneckenextruders statt. Dieser besteht in der Regel aus Schnecke und Zylinder. Entsprechend den Aufgaben werden die Funktionsbereiche mit den Begriffen ,Einzugszone', ,Plastifizierzone' und ,Austragzone' bezeichnet.
• Am Beginn der Einzugszone weist der Zylinder eine radiale Öffnung auf, durch welche die Formmasse typischerweise durch Wirkung der Schwerkraft der Verfahrenseinheit zugeführt wird. In den meisten Fällen staut sich das zu verarbeitende Material oberhalb dieser Einfüllöffnung ab und rieselt entsprechend dem verfügbaren freien Volumen in der Schnecke nach.
• Sowohl der Übergang vom Feststoff zur Schmelze, als auch der zur Überwindung des Werkzeugs notwendige Druckaufbau verläuft örtlich und zeitlich überlappend entlang der Länge des Zylinders bzw. der Schnecke. Die dem Druckaufbau und der Förderung zugrundliegenden Mechanismen werden seit vielen Jahren theoretisch untersucht mit dem Ziel, die optimale Funktion einer Schnecke vorherzusagen. Die Genauigkeit der Berechnungsmodelle wird immer besser, wobei aber nur im Schmelze- und Feststofförderbereich exaktere physikalische Berechnungsansätze vorliegen. Für die Gestaltung der Plastifizierzone sind jedoch keine hinreichend genauen Rechenmodelle vorhanden, weil aufgrund des fehlenden Einblicks keine direkte Kontrolle und Korrektur der Annahmen möglich ist.
• Aber gerade die Gestaltung der Plastifizierzone einer Verfahrenseinheit ist entscheidend für die erfolgreiche Funktion einer Schnecke. Gute Ideen für neue geometrische Gestaltungen haben immer wieder Fortschritte in der Plastifizierleistung bewirkt.
• Ein großer Schritt stellte die in der CH 420 581 A vorgeschlagene Barriereschnecke dar, die eine Trennung von Feststoff und Schmelze in der Plastifizierzone der Schnecke vorschlägt. Dadurch können in der Plastifizierzone die Modelle der Feststoffförderung und die der Schmelzeförderung parallel angesetzt werden. Der Erfolg war eine genauere Beschreibungsmöglichkeit der Plastifizierfunktion verbunden mit einer erzielbaren Verbesserung der Plastifizierleistung.
• Trotz dieses technologischen Fortschritts birgt die strikte Trennung von Feststoff und Schmelze durch den Barrieresteg einige Nachteile. Vor allem liegt in jedem Längsabschnitt der Plastifizierzone gleichzeitig Feststoff und Schmelze in verschiedenen Schneckensegmenten vor, die unterschiedlichen Fördermechanismen gehorchen. Die Schmelze ist in jeder Längsposition der Plastifizierzone bereits heißer als der noch nicht aufgeschmolzene Feststoff. Sie unterliegt den rheologischen Gesetzen der Schmelzeförderung. Im diesem schmelzegefüllten Segment der Schnecke wird die Formmasse geschert, wodurch sowohl nützlicher Druck als auch zusätzliche Wärme entsteht, welche die bereits aufgeschmolzene Formmasse unnötig weiter erwärmt. Im Feststoffsegment der Plastifizierzone wird zusätzliche Energie durch Wärmeleitung und durch Reibung an den Oberflächen in den Feststoff eingeleitet. Die dadurch neu entstehende Schmelze wird über den Barrieresteg in das Schmelzesegment der Schnecke geleitet, in welchem die dort bereits vorhandene Schmelze durch die zusätzliche Scherbeanspruchung schon deutlich wärmer geworden ist als die aus dem Feststoff erschmolzene Masse aus dem Feststoffsegment.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen bedeutenden Schritt zur Verbesserung des Aufschmelzprozesses zu leisten und die Prozesse a) Feststoffförderung, b) Plastifizieren und c) Druckaufbau geschickt zu überlappen.
• Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist in den Patentansprüchen angegeben.
• Es ist vorgesehen, dass speziell durch Einbringung von geeigneten Vertiefungen im Plastifizierbereich von Einschneckenextrudern eine substanzielle Verbesserung von vielen wichtigen Funktionen bewirkt werden kann. Dies gilt speziell für Schnecken, welche durch ihre Gestaltung eine Trennung zwischen Feststoff und Schmelze bewirken, also vorzugsweise Barriereschnecken.
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine hohe Reibung an der Schnecke den Kunststoff in Umfangsrichtung bewegt, eine hohe Reibung am Zylinder in Verbindung mit der Schneckensteigung eine Materialförderung in Achsrichtung des Zylinders bewirkt.
• Es wurde festgestellt, dass durch die Einbringung von Vertiefungen im Zylinder gemäß der anspruchsgemäßen Ausgestaltung in Verbindung mit einer Barriereschnecke die wesentlichen Eigenschaften 1) Plastifizierleistung, 2) Massetemperatur und 3) gegendruckunabhängige Fördercharakteristik maßgeblich verbessert werden konnten.
• So konnte in einer Ausführungsform die Ausstoßleistung einer gegebenen Extruderbaugröße um den Faktor 2 erhöht werden. Die Massetemperatur wurde gleichzeitig gesenkt und das Druckaufbauvermögen verbessert. Diese Leistungserhöhung ist substanziell und war in diesem Umfang zum Zeitpunkt der Erfindungsidee nicht erwartet worden. Es wird angenommen, dass sich unaufgeschmolzene Feststoffpartikel zwischen dem Barrieresteg der Schnecke und den im Zylinder vorhandenen Vertiefungen ,verklemmen' und gewaltsam in kleinen Portionen in den Schmelzekanal gepresst werden. Ein Versuch der rechnerischen Modellierung dieses Effekts wurde noch nicht vorgenommen.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
• Die einzige Figur zeigt einen Zylinder mit Vertiefungen im Plastifizierbereich und eine zugehörige Barriereschnecke.
• In der Figur ist ein typischer Zylinder 1 eines Einschneckenextruders mit einer möglichen Ausführung der erfindungsgemäßen Vertiefungen dargestellt. Eine mögliche Ausführungsform einer Schnecke 2 ist in der Figur im gleichen Maßstab wie der Zylinder gezeichnet. Der zu plastifizierende Kunststoff tritt durch die Einfüllöffnung 3 in den Zylinder ein. Je nach Förderverhalten des Feststoffs in der Einzugszone A kann der Zylinder in diesem Bereich genutet ausgeführt werden, um die Feststoffförderung zu verstärken. In der Plastifizierzone B entsteht die erste Schmelze, wobei ein bedeutender Anteil des Kunststoffs weiterhin als Feststoff vorliegt. In diesem Funktionsbereich sind die Vertiefungen 4 im Zylinder positioniert, welche in beschriebener Art und Weise den Plastifiziervorgang verbessern. Im Anschluss an die Plastifizierzone B folgt die Austragzone C, wo in der Regel ein weiterer Druckaufbau in der Schmelzephase stattfindet.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• CH 420581 A [0007]

Claims (8)

1. Extruder, insbesondere Einschneckenextruder, zur Plastifizierung thermoplastischer Kunststoffe, mit einer Schnecke, deren geometrische Gestaltung im Plastifizierbereich die Trennung von unplastifiziertem Kunststoff und fließfähiger Schmelze ermöglicht, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder im Plastifizierbereich in Längs- und Umfangsrichtung lokal begrenzte Vertiefungen aufweist.
2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen radial an der tiefsten Stelle mindestens 0,35 mm tief sind.
3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen zwischen 5% und 50% des inneren Zylinderumfangs beanspruchen.
4. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektion der Vertiefungen auf die Zylinderoberfläche in Achsrichtung des Zylinders länger ausgeprägt ist als in Umfangsrichtung des Zylinders.
5. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung einer einzelnen Vertiefung in Achsrichtung des Zylinders geringer ist als das 1,5-fache der Gangsteigung der Schecke des zugehörigen Zylinderabschnitts.
6. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen ungleichmäßig tief gestaltet sind.
7. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vertiefungen regelmäßig am Umfang verteilt sind.
8. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vertiefungen unregelmäßig am Umfang verteilt sind.

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