DE10342822B4 - Extruder zum Herstellen von syntaktischem Kunststoff - Google Patents

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Abstract

Extruder zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen von syntaktischem Kunststoff durch Vermischen von Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln, – mit einem Gehäuse (6), – mit zwei in dem Gehäuse (6) ausgebildeten, einander durchdringenden Gehäuse-Bohrungen (7, 8), – mit zwei in den Gehäuse-Bohrungen (7, 8) angeordneten, gleichsinnig drehantreibbaren Schnecken-Wellen (11, 12), – mit einer Zuführ-Einrichtung (14) für Kunststoff, – mit einer der Zuführ-Einrichtung (14) in einer Förderrichtung (13) nachgeordneten Aufschmelz-Zone (16) mit einer Heizung und Misch- und Knetelementen (25), – mit mindestens einer in eine der Aufschmelz-Zone (16) nachgeordnete Füllstoff-Zuführ-Zone (18) einmündenden, mit zwei Förderschnecken (36, 37) versehenen Beschickungs-Schneckenmaschine (32) zur Zuführung von Mikro-Hohl-Kugeln (42), die einen Füllstoff-Zuführ-Trichter (41) aufweist, der geteilt ausgebildet ist und ein Trichter-Abteil (43) zur Zugabe der Mikro-Hohl-Kugeln (42) und ein Trichter-Abteil (44) zur Entlüftung der Mikro-Hohl-Kugeln (42) aufweist, – mit in einer Füllstoff-Einmisch-Zone (19) vorgesehenen als Schulterscheiben ausgebildeten Misch-Elementen (28), – mit einer der Füllstoff-Einmisch-Zone (19) nachgeordneten, in eine Entgasungs-Zone (21) einmündenden, in diese fördernd und zur Vakuumentgasung ausgebildeten Rückhalte-Schneckenmaschine (45) und – mit einer nachgeordneten Druckaufbau-Zone.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen von syntaktischem Kunststoff durch Vermischen von Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln.
  • Syntaktische Kunststoffe sind aus der DE 101 29 232 A1 bekannt. Hierunter versteht man im Allgemeinen Kunststoffe, die hohle Füllstoffe aufweisen, beispielsweise also Mikro-Hohl-Kugeln aus Glas oder dergleichen. Derartige syntaktische Kunststoffe werden als Isolierbeschichtungen eingesetzt. Bei dem aus der DE 101 29 232 A1 bekannten Verfahren werden in einem ersten Schritt Polyurethansystemkomponenten zur Reaktion gebracht und in einem zweiten Schritt Mikro-Hohl-Kugeln in einer Mischvorrichtung zugegeben, wobei die Mischvorrichtung totraumfrei aufgebaut ist aus einem trichterförmigen Mischtopf, einem Zulauf für Polyurethan, einem Zulauf für Mikro-Hohl-Kugeln, einem Rührorgan und einer Austrittsöffnung. Hierbei ist es wichtig, dass möglichst große Mengenanteile der bruchempfindlichen Mikro-Hohl-Kugeln gleichmäßig und unter möglichst geringem Bruch und hoher Einarbeitungsgeschwindigkeit in den Kunststoff eingemischt werden. Das aus Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln bestehende Gemisch soll möglichst frei von Lufteinschlüssen sein. Diese Forderungen werden bei dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung nicht zufriedenstellend erfüllt.
  • Aus der US 5 232 649 A ist ein Doppelschneckenextruder bekannt, der zum Entfernen von Flüssigkeiten aus Feststoffen und insbesondere zum Auspressen von Wasser aus natürlichen oder synthetischen Polymeren oder dergleichen ausgebildet ist. Einem Zuführtrichter ist ein reiner Förderabschnitt der Schnecken nachgeordnet, in dem gerade verhindert werden soll, dass das zugegebene Material aufgeschmolzen wird. Es wird lediglich Druck auf das Material ausgeübt, um das Wasser herauszupressen. Dieses Wasser wird von einer Seiten-Doppel-Schnecken-Maschine aus dem Innenraum des Doppelschneckenextruders abgezogen. Um den notwendigen Druck aufbauen zu können, ist in der Anschlussstelle für die Seiten-Doppel-Schnecken-Maschine ein rückwärtsfördernder Schneckenabschnitt vorgesehen. Im Anschluss daran wird der entwässerte Kunststoff nach außen gefördert.
  • Aus der DE 102 20 723 A1 ist ein Doppelschneckenextruder bekannt, mittels dessen Hohl-Kugeln in ein Harz eingemischt werden sollen. Nachgeordnet zur Zuführ-Einrichtung für das Harz sind Knetwerkzeuge vorgesehen, so dass das Harz aufgeschmolzen wird. Anschließend erfolgt eine Entgasung und danach eine Zuführung der Hohl-Kugeln. Eine schonende Einmischung der Hohl-Kugeln in das Harz ist hiermit nicht möglich. Außerdem ist ebenfalls eine effiziente Entgasung nicht gewährleistet.
  • Aus der EP 0 861 717 A1 ist schließlich ein Doppelschneckenextruder bekannt, bei dem einer Materialeinspeisungseinrichtung eine Aufschmelzzone mit Misch- und Knetelementen nachgeordnet ist. Anschließend sind Seiten-Doppel-Schnecken-Maschinen vorgesehen, über die eine Entgasung erfolgt. Das Einmischen von Mikro-Hohl-Kugeln und die hierzu erforderlichen Maßnahmen sind nicht angesprochen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Extruder zum Herstellen von syntaktischem Kunststoff durch Vermischen von Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln derart auszubilden, dass das Gemisch aus Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln luftfrei ist und über gute thermische und mechanische Eigenschaften, insbesondere niedrige Wärmeleitfähigkeit, geringe Dichte und hohe Druckfestigkeit verfügt.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch einen Extruder mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
  • Durch erfindungsgemäßen Einsatz eines Zwei-Wellen-Extruders und dessen Ausgestaltung wird erreicht, dass ein schnelles, schonendes Einmischen der Mikro-Hohl-Kugeln in den Kunststoff erfolgt und dass hierbei nur geringer Bruch entsteht. Das Gemisch aus Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln ist luftfrei und verfügt daher über gute thermische und mechanische Eigenschaften, insbesondere niedrige Wärmeleitfähigkeit, geringe Dichte und hohe Druckfestigkeit. Das Gemisch aus Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln kann direkt weiterverarbeitet werden, und zwar in einer Wärme, so dass keine Beschädigung oder Zerstörung der Mikro-Hohl-Kugeln durch einen erneuten Aufschmelzprozess erfolgt. Der aufgeschmolzene Kunststoff wird vor der Zuführung der Mikro-Hohl-Kugeln insbesondere atmosphärisch entgast. Im Zusammenhang mit der Zuführung der Mikro-Hohl-Kugeln erfolgt gleichzeitig eine wirksame Vakuumentgasung.
  • Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. Es zeigt
  • 1 eine Draufsicht auf einen Extruder nach der Erfindung in teilweise aufgebrochener Darstellung,
  • 2 eine Seitenansicht des Extruders in teilweise aufgebrochener Darstellung mit einer abgewandelten Anordnung einer Rückhalte-Schneckenmaschine,
  • 3 einen vertikalen Querschnitt durch den Extruder mit einer Anordnung der Rückhalte-Schneckenmaschine gemäß 1,
  • 4 einen vertikalen Querschnitt durch den Extruder mit einer Anordnung der Rückhalte-Schneckenmaschine nach 2 und
  • 5 eine Seiten-Längs-Ansicht einer dem Extruder nachzuordnenden Zahnrad-Pumpen-Anordnung.
  • Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Extruder 1 auf. Er wird mittels eines Motors 2 über eine Kupplung 3 und ein Getriebe 4 angetrieben. Der Extruder 1 weist ein mit einer Heizung 5 versehenes Gehäuse 6 auf, in dem zwei etwa 8-förmig ineinander greifende Gehäuse-Bohrungen 7, 8 mit zueinander parallelen Achsen 9, 10 ausgebildet sind. In diesen Gehäuse-Bohrungen 7, 8 sind zwei Schnecken-Wellen 11, 12 angeordnet, die an das Getriebe 4 angekoppelt sind. Die Schnecken-Wellen 11, 12 werden gleichsinnig angetrieben. Der Extruder 1 weist einen in einer Förderrichtung 13 hinter dem Getriebe 4 angeordneten Zuführ-Trichter 14 auf, durch den aufzubereitender Kunststoff zugeführt wird oder aufzubereitende Kunststoffe zugeführt werden, und an den sich eine Einzugs-Zone 15 anschließt. Im Anschluss daran ist eine Aufschmelz-Zone 16 ausgebildet. Der Aufschmelz-Zone 16 folgt eine Atmosphären-Entgasungs-Zone 17. Im Anschluss daran ist eine Füllstoff-Zuführ-Zone 18 ausgebildet, an die sich eine Füllstoff-Einmisch-Zone 19 anschließt. Je nach dem Anteil der als Füllstoff zuzuführenden Mikro-Hohlkugeln sind mehrere Füllstoff-Zuführ-Zonen mit jeweils nachgeordneter Füllstoff-Einmisch-Zone und stromaufwärts angeordneter atmosphärischer Entgasung vorgesehen. Dieser Einmisch-Zone 19 folgt eine Rückstau-Zone 20, hinter der sich eine Vakuum-Entgasungs-Zone 21 befindet. Daran schließt sich eine Druckaufbau-Zone 22 und daran eine Austrags-Zone 23 an.
  • In der Einzugs-Zone 15 weisen die Schnecken-Wellen 11, 12 Schnecken-Elemente 24 auf. In der Aufschmelz-Zone 16 sind sie mit Knet-Elementen 25 versehen. In der Atmosphären-Entgasungs-Zone 17 und der sich daran anschließenden mindestens einen Füllstoff-Zuführ-Zone 18 sind wiederum Schnecken-Elemente 26 vorgesehen. Außerdem mündet aus der Atmosphären-Entgasungs-Zone 17 aus dem Gehäuse 6 eine Entgasungs-Öffnung 27 aus, durch die der aufgeschmolzene Kunststoff gegen Atmosphärendruck entgast wird. In der Füllstoff-Einmisch-Zone 19 sind die Schnecken-Wellen 11, 12 mit als sogenannte Schulterscheiben ausgebildeten Misch-Elementen 28 versehen, wie sie aus der EP 0 875 356 B1 (entsprechend US 6 048 088 A ) bekannt sind, die besonders scherspitzenarm und selbstreinigend sind. In der Rückstau-Zone 20 sind Stau-Elemente 29 in Form von Rückförder-Schnecken-Elementen oder dergleichen vorgesehen. In der Vakuum-Entgasungs-Zone 21, der nachfolgenden Druckaufbau-Zone 22 und der Austrags-Zone 23 sind wiederum Schnecken-Elemente 30 vorgesehen. An die Druckaufbau-Zone 22 und die Austrags-Zone 23 schließt sich eine Düse 31 an.
  • In der Füllstoff-Zuführ-Zone 18 mündet eine Beschickungs-Schneckenmaschine 32 radial zur Achse 9 in eine Gehäuse-Bohrung 7 ein. Sie weist einen Antriebs-Motor 33 auf, der über eine Kupplung 34 mit einem Getriebe 35 gekoppelt ist, von dem zwei dicht miteinander kämmende Förder-Schnecken 36, 37 gleichsinnig angetrieben werden. Die Förderschnecken 36, 37 sind in ebenfalls 8-förmig einander durchdringenden Gehäuse-Bohrungen 38, 39 angeordnet, die durch eine Füllstoff-Zuführ-Öffnung 40 im Gehäuse 6 in die Gehäuse-Bohrung 7 einmünden und bis in die Nähe der Schnecken-Elemente 26 reichen. Benachbart zum Getriebe 35 ist ein Füllstoff-Zuführ-Trichter 41 vorgesehen, der in die Gehäuse-Bohrungen 38, 39 einmündet. Mittels der Beschickungs-Schnecken-Maschine 32 wird zuzugebender Füllstoff, nämlich Mikro-Hohl-Kugeln 42 zugeführt und in der Füllstoff-Zuführ-Zone 18 des Extruders 1 in den aufgeschmolzenen Kunststoff eingegeben. Der Zuführ-Trichter 41 ist zweckmäßiger Weise geteilt ausgebildet. Die Zugabe der Mikro-Hohl-Kugeln 42 erfolgt über ein erstes Trichter-Abteil 43, das sich auf der die Kugeln 42 ergreifenden Seite der Förder-Schnecken 36, 37 befindet. Der Trichter 41 weist ein zweites Trichter-Abteil 44 auf, in dem sich die Förder-Schnecken 36, 37 gleichsam nach oben drehen; durch dieses zweite Trichter-Abteil 44 erfolgt noch eine weitere atmosphärische Entgasung, und zwar insbesondere der Luft, die mit den Mikro-Hohl-Kugeln 42 in die Beschickungs-Schnecken-Maschine 32 gelangt ist. Das Einmischen der Mikro-Hohl-Kugeln 42 in der Füllstoff-Einmisch-Zone 19 in den bereits aufgeschmolzenen Kunststoff erfolgt außerordentlich schonend mittels der als Schulterscheiben ausgebildeten Misch-Elemente 28.
  • Der aufgeschmolzene Kunststoff, in dem die Mikro-Hohl-Kugeln 42 gleichmäßig verteilt sind, wird anschließend in der Vakuum-Entgasungs-Zone 21 unter Vakuum entgast. Hierzu ist eine einwellige oder zweiwellige Rückhalte-Schnecken-Maschine 45 vorgesehen, die einen Antriebs-Motor 46 aufweist, der über eine Kupplung 47 mit einem Getriebe 48 gekoppelt ist. Mit diesem ist eine Rückhalte-Schnecke 49 drehfest verbunden, die in einer Bohrung 50 eines Gehäuses 51 der Maschine 45 angeordnet ist. Die Bohrung 50 mündet in den Extruder 1 ein. Benachbart zum Getriebe 48 weist das Gehäuse 51 einen in die Bohrung 50 einmündenden Vakuum-Anschluss 52 auf. Die Schnecke 49 reicht bis an die Schnecken-Elemente 30 heran.
  • Wie 1 und 3 entnehmbar ist, kann die Rückhalte-Schneckenmaschine 45 seitlich und horizontal in eine Gehäuse-Bohrung 8 des Gehäuses 6 des Extruders 1 einmünden. Wie 2 und 4 entnehmbar ist, kann die Rückhalte-Schnecken-Maschine 45 auch vertikal von oben in das Gehäuse 6 einmünden und zwar im Bereich des oberen Zwickels 53 zwischen den beiden Gehäuse-Bohrungen 7, 8. Sie kann aber auch vertikal, aber seitlich gegenüber dem Zwickel 53 versetzt in eine Gehäuse-Bohrung 7 oder 8 einmünden. Die Rückhalte-Schnecke 49 wird derart angetrieben, dass sie eine Förderwirkung in Richtung zu den Gehäuse-Bohrungen 7, 8 ausübt, so dass trotz des angelegten Vakuums kein mit Mikro-Hohl-Kugeln 42 gemischter Kunststoff aus der Vakuum-Entgasungs-Zone 21 austritt.
  • Der aufgeschmolzene und mit den Mikro-Hohl-Kugeln 42 durchmischte Kunststoff wird in einer Warme weiterverarbeitet, d. h. eine Weiterverarbeitungsstation ist unmittelbar nachgeordnet, so dass für eine Weiterverarbeitung kein erneutes Aufschmelzen erforderlich ist, so dass eine Zerstörung der Mikro-Hohl-Kugeln 42 einerseits beim Granulieren und andererseits beim erneuten Aufschmelzen ausgeschlossen wird. Um eine solche Weiterverarbeitung in einer Wärme zu ermöglichen, ist der geschilderte Druckaufbau in der Druckaufbau-Zone 22 im Zusammenwirken mit der nachgeordneten Düse 31 von Vorteil. Sollte der an der Düse 31 erreichbare Druck nicht ausreichend sein, so kann es zweckmäßig sein, eine Zahnradpumpe 54 zum Druckaufbau hinter der Auftrags-Zone 23 anzuordnen, wie sie in 5 dargestellt ist. Eine solche Zahnrad-Pumpe 54 weist in üblicher Weise ein Pumpen-Gehäuse 55 auf, in dem zwei miteinander kämmende Zahnräder 56, 57 angeordnet sind. Um ein Zerquetschen oder Zerreiben der Mikro-Hohl-Kugeln 42 in der Zahnrad-Pumpe 54 zu vermeiden, werden beide Zahnräder 56, 57 absolut synchron und mechanisch zwangsgekoppelt angetrieben, und zwar über ein Verzweigungs-Getriebe 58, das von einem Pumpen-Motor 59 angetrieben wird. Jedes Zahnrad 56, 57 wird über eine eigene Antriebs-Welle 60, 61 angetrieben, so dass zwischen den Zahnrädern 56, 57 kein Dreh-Spiel entsteht, d. h. die Zähne 62 der Zahnräder 56, 57 liegen nicht aneinander. Derartige Antriebe werden auch als timing-gear bezeichnet. Die Zahnrad-Pumpe 54 wird quer zum Extruder 1 angeordnet, würde als in 1 nach rechts und oben angeschlossen. Bei einem Druckaufbau durch eine Zahnrad-Pumpe 54 würde die Düse 31 direkt hinter der Zahnrad-Pumpe 54 angeordnet. Weiterhin kann auch zum Druckaufbau ein einwelliger Extruder eingesetzt werden, wie es allgemein bekannt ist.
  • Als Kunststoffe kommen u. a. alle technischen Kunststoffe in Betracht, insbesondere Polyolefine, z. B. Polypropylene, Polyethylene und deren Mischungen, Copolymere hiervon, Polykondensate, z. B. Polyamide, Polyester, wie auch Hochtemperaturkunststoffe, z. B. PEEK (Polyetheretherketon), PPS (Polyphenylensulfide), LCP (flüssigkristalline Polymere). Die Mikro-Hohl-Kugeln 42 bestehen aus Glas oder Aluminiumsilikat. Für die Mikro-Hohl-Kugeln 42 gelten etwa folgende Daten:
    Dichte der Mikro-Hohl-Kugeln: 0,2 bis 0,8 g/cm3
    bevorzugt 0,3 bis 0,5 g/cm3
    Schüttdichte der Mikro-Hohl-Kugeln: 0,05 bis 0,6 g/cm3
    bevorzugt 0,1 bis 0,3 g/cm3
    Durchmesser der Mikro-Hohl-Kugeln: 1 bis 300 μm
    bevorzugt 1 bis 150 μm
  • Anstelle von Glas oder Aluminiumsilikat kommt als Material für die Mikro-Hohl-Kugeln auch ein entsprechend temperaturfester Kunststoff in Betracht.

Claims (6)

  1. Extruder zur Durchführung eines Verfahrens zum Herstellen von syntaktischem Kunststoff durch Vermischen von Kunststoff und Mikro-Hohl-Kugeln, – mit einem Gehäuse (6), – mit zwei in dem Gehäuse (6) ausgebildeten, einander durchdringenden Gehäuse-Bohrungen (7, 8), – mit zwei in den Gehäuse-Bohrungen (7, 8) angeordneten, gleichsinnig drehantreibbaren Schnecken-Wellen (11, 12), – mit einer Zuführ-Einrichtung (14) für Kunststoff, – mit einer der Zuführ-Einrichtung (14) in einer Förderrichtung (13) nachgeordneten Aufschmelz-Zone (16) mit einer Heizung und Misch- und Knetelementen (25), – mit mindestens einer in eine der Aufschmelz-Zone (16) nachgeordnete Füllstoff-Zuführ-Zone (18) einmündenden, mit zwei Förderschnecken (36, 37) versehenen Beschickungs-Schneckenmaschine (32) zur Zuführung von Mikro-Hohl-Kugeln (42), die einen Füllstoff-Zuführ-Trichter (41) aufweist, der geteilt ausgebildet ist und ein Trichter-Abteil (43) zur Zugabe der Mikro-Hohl-Kugeln (42) und ein Trichter-Abteil (44) zur Entlüftung der Mikro-Hohl-Kugeln (42) aufweist, – mit in einer Füllstoff-Einmisch-Zone (19) vorgesehenen als Schulterscheiben ausgebildeten Misch-Elementen (28), – mit einer der Füllstoff-Einmisch-Zone (19) nachgeordneten, in eine Entgasungs-Zone (21) einmündenden, in diese fördernd und zur Vakuumentgasung ausgebildeten Rückhalte-Schneckenmaschine (45) und – mit einer nachgeordneten Druckaufbau-Zone.
  2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalte-Schneckenmaschine (45) einen Vakuum-Anschluss (52) aufweist.
  3. Extruder nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalte-Schneckenmaschine (45) seitlich und radial zu einer Gehäuse-Bohrung (8) in das Gehäuse (6) einmündet.
  4. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückhalte-Schneckenmaschine (45) in einen Zwickel (53) zwischen den beiden Gehäuse-Bohrungen (7, 8) in letztere einmündet.
  5. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbau-Zone als Zahnrad-Pumpe (54) ausgebildet ist.
  6. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Weiterverarbeitung in einer Wärme vorgesehen ist.
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