-
Schneckenpresse zum schonenden Aufbereiten von Kunststoff-Rohstoffen
Es werden zum Aufbereiten von Kunststoff-Rohstoffen, insbesondere zum Extrudieren
von thermoplastischen Kunststoffen, mit dem Ziel der Herstellung von Formkörpern
bereits Schneckenmaschinen verwendet, bei denen die zum Schmelzen und gegebenenfalls
gleichzeitigen Mischen der Kunststoffe erforderliche Wärme nur zu einem kleinen
Teil als Fremdwärme durch Beheizen der Wand des Schnekkenzylinders eingebracht wird.
Den größeren Teil der zur Verflüssigung der Stoffe erforderlichen Wärme bringt man
als sogenannte innere Knet- und Reibungswärme in Form mechanischer Antriebsenergie
zwangläufig auf.
-
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt, die mit etwa symmetrischem
Steg tiefgeschnittene Schneckenspindel einer Schneckenmaschine hinter der Einzugs-
und Schmelzzone mit einer glatten Reibwalze auszurüsten, an die sich in Förderrichtung
die Austragungs- oder Druckzone anschließt. Die Mantelfläche der Reibwalze bildet
mit dem Schnekkenzylinder eine Engstelle, die die Entgasung der plastifizierten
Masse und den Aufschluß von Zusatzstoffen in dieser Masse fördert. An zylindrischen
Reibwalzen im Zuge von tiefgeschnittenen Schnekkenspindeln treten jedoch auf Grund
der großen Scherkräfte erhebliche Temperaturerhöhungen auf, die nur durch besondere
Kiihlmaßnahmen in diesem Bereich des Massenzylinders auszugleichen sind.
-
Bekannt sind ferner kegelige Reibwalzenabschuitte an ein- oder zweispindeligen
Schneckenmaschinen in Verbindung mit einem der konischen Reibwalze vorgeschalteten
kurzen Schneckenabschnitt, der gegenüber der Steigung in der Einzugs- und Druckzone
eine wesentlich kleinere Steigung, der Schneckengänge aufweist. Mit den letztgenannten
Schneckenspindeln konnten schwierige Aufbereitungsprobleme von Kunststoff-Rohstoffen,
wie sie nachfolgend näher beschrieben sind, bisher nicht bewältigt werden.
-
An eine leistungsfähige Schneckenpresse mit oder ohne glatte walzenähnliche
Spindelabschnitte zum schonenden Aufbereiten von Kunststoff-Rohstoffen in einem
einzigen Durchlauf werden ganz allgemein folgende Anforderungen gestellt: a) Das
gleichmäßige Aufschließen von in der Schmelze nicht löslichen Zusatzstoffen, z.
B. von Pigmenten, auch bei kleinsten Dosierverhältnissen. Die Grenze der Sichtbarkeit
von Farbpartikeln liegt etwa bei 7 ll; für qualitativ hochwertige Rohstoffe wird
ein Aufschluß vorzugsweise bis zu 3 Il, höchstens bis 5 1l, erwartet.
b) Das Verflüssigen
und Mischen von verschidenartigen thermoplastischen Kunststoffen untereinander und
mit nicht vernetzten Kautschuk: zusätzen auch bei kritischen Mischungsverhältnissen.
c) Das rasche Aufschließen von thermisch instabilen Kunst- oder Farbstoffen in einer
Schmelze bei nur kurzzeitigen Temperaturüberschreitungen, ohne daß eine feststellbare
Schädigung des gemischten Stoffes oder seiner Zusätze eintritt. d) Das Austragen
von besonders hohen flüchtigen Anteilen aus der Schmelze. e) Geregelte Wärmeübergangsverhältnisse
in der Schmelzzone der Schneckenpresse vor einem für den verbesserten Stoffaufschluß
angeordneten Reibwalzenabschnitt der Schneckenspindel, in dessen Bereich eine gewisse
Temperaturerhöhung der Stoffmischung unvermeidbar ist.
-
Man ging bisher bei den Berechnungen der Plastifizierschnecken von
der Tatsache aus, daß das spezifische Volumen des zu verarbeitenden Stoffes in Pulver-
oder Granulatform sehr viel größer ist als das des geschmolzenen Stoffes und bemühte
sich, diese Volumendifferenz durch unterschiedliche Bemessung der Schneckengangvolumina
vom Einzugsteil bis zum Schneckenkopf auszugleichen. Mindestens im Einzugsabschnitt
der Schnecke wurde bisher ein tiefer Schneckenschnitt mit entsprechend großem Volumen
der Schneckengänge als unerläßlich erachtet.
-
Bei Schneckenmaschinen, die mit den obenerwähnten bekannten Schnecken
ausgerüstet sind, stellt
man jedoch immer wieder Wärmestauungen
fest, die auch durch bestimmte örtlich begrenzte Kühlzonen im Zylindermantel nicht
sicher zu beherrschen sind.
-
Man neigte diesbezüglich bisher zu der Ansicht, daß zur Erreichung
idealer Arbeits- und Betriebsverhältnisse für jedes andere Produkt bzw. andere Kunststoffmischung
eine eigene tiefer oder flacher geschnittene Schnecke berechnet werden sollte.
-
Ferner wurde an den bisher bekanntgewordenen Schneckenpressen beobachtet,
daß das Produkt bei tiefgeschnittenen Schneckengängen nur an der Druckfianke des
Schneckenstegs stetig gefördert wird. An der nahezu drucklosen entweder steilen
oder stark abgeflachten Gegenfianke des Schneckenstegs verweilt das Produkt wesentlich
länger und wird dann alsbald thermisch geschädigt oder zersetzt.
-
Man hat versucht, diesem insbesondere bei der Verarbeitung pulverförmiger
Kunststoffe auftretenden Nachteil durch Vorgranulieren zu begegnen. Dafür sind jedoch,
abgesehen vom größeren Zeitaufwand, verhältnismäßig teuere Apparate erforderlich.
-
Zur Behebung des gleichen Mangels werden daher zuweilen auch zwangläufig
fördernde gegenläufige Doppelschneckenpressen oder sogenannte Ko-Kneter verwendet,
mit denen zwar die Herstellung der stranggepreßten Formkörper auf einen Arbeitsgang
beschränkt wird, die aber andererseits hohe Anlage-und Wartungskosten erfordern.
-
Nahezu unmöglich ist es bisher, aus noch feuchte ten, d. h. wasser-
und monomerenhaltigen Kunststoffen, auf den üblichen Schneckenpressen mit einer
einfachen, eine Gangkompression aufweisenden Schneckenspindel lunker- und blasenfreie
Stränge bzw. Profile zu extrudieren, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Rohstoffes
mehr als 1 °/o beträgt. Die von der Schnecke erzeugte innere Reibungswärme zuzüglich
der von außen über die Zylinderwand eingeleiteten Wärme reicht dann zum raschen
Verdampfen der flüchtigen Anteile nicht aus. Die in den tiefgeschnittenen Schneckengängen
im Bereich der Einzugszone entstehenden dicken Produktquerschnitt leiten die Wärme
nur langsam bis zum Schneckenkern weiter. Die zugunsten tiefgeschnittener Schnekkengänge
sonst häufig angeführte intensive Umwälzung des aufzubereitenden Kunststoffes bzw.
der Stoffmischung tritt erst im plastischen Bereich auf.
-
An den wesentlich rascher erwärmten Außenschichten treten daher sehr
rasch Zersetzungen ein.
-
Es wurde nun, unter anderem durch Auswertung der Ergebnisse vieler
tastender Versuche an einspindeligen Schneckenpressen, die zum gleichzeitigen Aufbereiten,
Mischen, Einfärben und Verarbeiten von Kunststoff-Rohstoffen zu Formkörpern eingesetzt
sind, überraschend eine leistungsfähige Schneckenspindel gefunden, mit der die Durchsatzleistung
der damit ausgerüsteten Maschine und die Qualität des damit erzeugten Produkts sprunghaft
gesteigert werden konnte. Überraschend war insbesondere, daß sich mit dieser Schneckenspindel
auch feuchte Kunststoffe und sehr inhomogene Kunststoffmischungen ohne Schwierigkeiten
in einem einzigen fortlaufenden Arbeitsgang verarbeiten ließen. Die Erfindung ist
in der sinnvollen Kombination folgender Konstruktionsmerkmale zu sehen: a) ein flacher
Schneckenschnitt mit über die Spindellänge gleichbleibender Steigung der Schnekkengänge,
b)
ein trapezförmiges Schneckenstegprofil mit steiler, vorzugsweise senkrechter Flanke
auf der Druckseite und einem Flankenwinkel von nicht mehr als 200, vorzugsweise
150, auf der drucklosen Seite, c) ein zwischen der Förder- und Plastifizierzone
und der Ausschiebezone der Schneckenspindel angeordneter, etwa dem maximalen Durchmesser
der Schnecken stege entsprechender, konzentrisch rotierender, schneckengangloser,
leicht konischer Spindelabschnitt, dessen als Reibwalze wirkende Mantelfläche gegenüber
der Drehachse in Förderrichtung um nicht mehr als 5 °lo ansteigt.
-
Die erfindungsgemäß gestaltete Schneckenspindel wird zweckmäßig in
einem Schneckenzylinder betrieben, der eine Ausgaszone besitzt, die, in Förderrichtung
gesehen, hinter der leicht konischen Reib walze angeordnet ist.
-
An Hand der Figuren sei die Erfindung näher beschrieben: Die F i
g. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Schneckenspindel 1 mit links liegendem
Antriebsende 2 und einem glatten Abschnitt bzw. einer Reibwalze 3, die, in Förderrichtung
gesehen, etwa im letzten Drittel der Spindellänge zwischen der Förder-und Austragezone
angeordnet ist. Das zwischen den Schneckenstegen 4 befindliche Gangvolumen ist bei
gleichbleibender Steigung über die gesamte, lediglich durch die Reibwalze 3 unterbrochene
Spindellänge konstant. Die Steigung der Schneckengänge beträgt vorzugsweise 17,50.
Die Gangtiefe beträgt höchstens 120/o, vorzugsweise 10°.fo des Zylinderdurchmessers.
-
Um tote Bereiche, das sind Zonen, in denen der zu verarbeitende Kunststoff
länger als erwünscht verweilt, zu vermeiden, ist die drucklose Flanke des Schneckenstegs
mit einem flachen Winkel a von nicht mehr als 200, vorzugsweise von 150, abfallend
ausgeführt (F i g. 2). Der zu verarbeitende Stoff wird somit als relativ dünne Schicht
gleichmäßig in dem zwischen Schneckenkern und Schneckenzylinder entstehenden Scherfeld
umgewälzt und entsprechend gleichmäßig und schonend erwärmt.
-
Die konzentrisch zur Schneckenachse liegende Reibwalze 3 erzeugt
erhebliche Wärme, deren meßbare Größenordnung je nach der Viskosität des von der
Schnecke bereits plastifizierten Stoffes unterschiedliche Werte erreicht. Es hat
sich in den der erfinderischen Erkenntnis vorausgegangenen Versuchen gezeigt, daß
zylindrische Reibwalzen besonders viel Wärme erzeugen, jedoch einen unerwünschten
örtlichen Druckaufbau mit entsprechendem Stau des Kunststoffes verursachen. Führt
man dagegen die Reibwalze 3 konisch aus, und zwar so, daß der gegenüber dem Schneckenzylinder
entstehende Ringspalt in Fließrichtung enger wird, dann ist der Stau erheblich vermindert,
und unerwünschte tJberhitzungen des Kunststoffes entfallen. Es genügt, die Mantelfläche
der Reibwalze gegenüber der Drehachse um nicht mehr als 5 0/o, vorzugsweise 30in,
ansteigen zu lassen (Maß x in F i g. 1). Ist es für einen bestimmten Stoff erforderlich,
größere Mengen flüchtiger Anteile auszutragen, so wird der konische Spalt zwischen
der Reibwalze 3 und der umgebenden Zylinderwand entsprechend enger als in anderen
normalen Fällen gehalten. Im übrigen werden die flüchtigen Anteile aus einer in
Fließrichtung hinter der Reibwalze
3 im Schneckenzylinder bzw.
dem Arbeitsraum der Schneckenspindel, angeordneten Öffnung in an sich bekannter
Weise abgezogen.
-
Mit der oben beschriebenen Schnecke ist es gelungen, in einem einzigen
von der Einzugsstelle bis zum Schneckenkopf sich erstreckenden Arbeitsganges einen
auf das Gewicht bezogenen Gehalt an flüchtigen Anteilen von über 50°/o auszutragen.
Die mit gleichbleibendem Gangvolumen flach und kompressionslos geschnittenen Schneckengänge
gestatten es, das Produkt an der Ausgaseöffnung einwandfrei vorbeizuführen und in
der üblichen Weise zu extrudieren. Das aus der Düsenöffnung der Maschine austretende
Profil ist sehr gleichmäßig und im Gegensatz zu der Verarbeitung von Kunststoffen
auf Schneckenpressen, die eine sogenannte Kompressionsschnecke besitzen, neigt der
extrudierte Strang nicht zum Pulsieren. Bei Schneckenmaschinen, in deren Arbeitsraum
mehrere Schneckenspindeln angeordnet sind, haben sich solche, die nach den Merkmalen
der Erfindung ausgeführt sind, ebenfalls als überlegen erwiesen. Dabei wurde nur
an einer Spindel eine Reibwalze und an der anderen an der entsprechenden Stelle
ein glatter Spindelabschnitt von entsprechend kleinerem Durchmesser vorgesehen.
-
Beispiel 1 Polystyrol mit einem K-Wert von 68 bis 70 wurde mit 2
2°/o Titandioxyd und 0,1°/o Ruß gemischt. Diese Mischung wurde auf einer Schneckenpresse
mit einer Schneckenspindel nach der Erfindung von 120 mm Durchmesser extrudiert.
Bei einer Schneckendrehzahl von 130/Min. mischte und homogenisierte die Schneckenpresse
420 kg pro Stunde. Die Leistungsaufnahme des Antriebsmotors betrug dabei 65 kW.
-
Der Schneckenzylinder wurde beim Anfahren vorgeheizt. Während des
Betriebes wurden nur die Abstrahlverluste des Schneckenzylinders ausgeglichen.
-
Das austretende plastische Produkt hatte eine Temperatur von 2400
C. Schnecken früherer Bauarten erreichten bei sonst gleichen Betriebsverhältnissen
nur 100 bis 130 kg pro Stunde. Die entsprechende Produkttemperatur lag um 30 bis
400 C höher bei 270 bis 2800 C.
-
Beispiel 2 Polystyrol wurde mit 20°/o Titandioxyd gemischt und in
gleicher Weise wie bei Beispiel 1 extrudiert.
-
Der Durchsatz der Maschine betrug 300 kg pro Stunde. Auf mit Kompression
geschnittenen Einfachschnecken der bisher üblichen Bauart sind Farbstoffzugaben
über 5°/o bisher nicht zu verarbeiten gewesen.
-
Beispiel 3 Polystyrol wurde mit einer Kautschukkomponente im üblichen
Verhältnis gemischt und auf einer Schneckenpresse, die mit einer Schneckenspindel
nach der Erfindung ausgerüstet war, extrudiert. Es wurden dabei die gleichen Schlagzähigkeitswerte
wie bei schlagzähen Polystyrolen erreicht, die auf so-
genannten Ko-Knetern mastiziert
wurden. Für gleiche Durchsätze ist eine Ko-Kneteranlage mehr als doppelt so teuer
als eine Schneckenpresse mit einer Schneckenspindel, die die oben beschriebenen
Merkmale aufweist.
-
Beispiel 4 Styrol- Acrylnitnl- Mischpolymensat wurde mit einem Feuchtigkeitsgehalt
von 6 0/o auf einer Schnekkenpresse nach der Erfindung extrudiert. Die Restfeuchte
beträgt 0,05 0/o. Das gleiche Produkt konnte bisher nur auf Maschinen mit Doppelschnecken
verarbeitet werden.