DE1604330A1

DE1604330A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Be- und Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen,insbesondere Hart-PVC,mit getrenntem Plastifizier-,Foerder-und Verformungsvorgang

Info

Publication number: DE1604330A1
Application number: DE19661604330
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Anger; Angermann Dipl-Ing Hans; Doboczky Dipl-Ing Zoltan
Original assignee: ANGER PLASTIC MASCHINEN GmbH
Current assignee: ANGER PLASTIC MASCHINEN GmbH
Priority date: 1966-02-25
Filing date: 1966-02-25
Publication date: 1970-09-10
Also published as: AT307706B; FR1558627A

Description

Anger

fLLJLS-IJLC-MAfl.CillNEN ©MBH & CO. MÖNCHEN

Verfahren und Vorrichtung zum Be- und Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen, inst». Hart-PVC, mit getrenntem Plastifizier-, Förder- und Verformungsvorgang

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Plastifizieren, Fördern und Weiterverformen von thermoplastischen Kunststoffen.

Zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen sind Ein- und Mehrschneckenpressen, Walzwerke und Kneter bekannt und gebräuchlich. Bei Schneckenpressen erfolgt die Plastifizierung kontinuierlich und fast ausschließlich durch Wärmezufuhr von aussen sowie Friktion, weshalb bei Ausstoßerhöhungen die Maschinen wegen der erforderlichen Wärmezufuhr in aller Regel langer gebaut werden müssen. Das Schergefälle als Kennzeichen für den inneren und äusseren Mischeffekt ist bei diesen Maschinen verhältnismässig gering und uneinheitlich sowie bei einem gegebenen Ausstoß mit entsprechender Drehzahl nur durch Auswechseln der Schnecken zu verändern. Die Dicke der Materialschicht entspricht der Kanaltiefe des Schneckenganges. Durch das große Kanalvolumen ist die Schmelzleistung pro Volumeneinheit verhältnismässig gering und die Verweilzeit dementsprechend groß.

Ausserdem beeinflußt der Düsenwiderstand die Friktion und die Verweilzeit, so daß in einem größeren Fahrbereich und bei Änderung der Viskosität eine zusätzliche Steuerung der Wärmezufuhr und -Abfuhr erforderlich ist und keine optimalen Bedingungen erreicht werden können.

Bei den bisher üblichen Verfahren zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen vermischt sich das in Pulveroder Granulatform vorliegende Ausgangsprodukt mit der sich im Schneckenkanal bildenden Schmelze, bis das ganze Kanalvolumen nur noch, aus der Schmelze besteht. Dabei treten unkontrollierbare · Beanspruchungen und unterschiedliche Temperaturen in der

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plastischen Masse auf. Es erfolgt also keine zuverlässige und einwandfreie Trennung der Schmelze von dem Ausgangsprodukt. Demzufolge entsteht auch kein optimales Temperaturgefälle zur Erzeugung eines guten Wärmeübergangs zwischen dem aufzuschmelzenden Kunststoff und der Schnecke bzw. der Zylinderwand, wodurch sich wiederum die Verweilzeit verlängert.

Es ist zum Plastifizieren von Kunststoffen die Kombination von zwei hintereinander geschalteten Einschneckenpressen bekannt. Hierbei ist zwar die Plastifizierung in der ersten Schnecke von der Förderung in der zweiten Schnecke getrennt, aber die Einschnecke wirkt aus vorgenannten Gründen nicht optimal für die Plastifizierung, zumal die Schnecke gegen den Druck der Förderschnecke arbeitet. Die Einschneeke ist ausserdem keine ideale Förderschnecke und arbeitet wiederum gegen den Düsendruck, .jiieser beeinflußt die Friktion, die Verweilzeit und die Temperatur sowie die Viskosität in unkontrollierbarer Weise.

Bekannt ist weiterhin die Kombination von zwei Doppelschneckenpressen. Die vorgegebene Schneckencharakteristik hat nur eine begrenzte Fahrbreite bei geringem Schergefälle und großer Verweilzeit sowie begrenzter Mi3chwirkung, so daß eine einwandfreie Plastifizierung nur in einem engen Fahrbereich und durch Änderung der Rezeptur sowie der Temperatur bzw. durch Änderung der Schneckencharakteristik erreicht werden kann. Hierbei erfolgt die Fertigplastifizierung in der zweiten Doppelschneckenpresse, die daher nicht als reine Förderschnecke wirkt, sondern eine Misch- und Förderfunktion mitübernehmen muß.

Es ist ferner die Kombination einer Doppelschneckenpresse mit einer nachgeschalteten Einschneckenpresse bekannt. Die Plastifizierung ist zwar auch in diesem Falle von der Förderung getrennt, aber sowohl die Doppelschnecke für die Plastifizierung als auch die Einsohnecke für die Förderung ergeben keine Höchstleistung.

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Die bekannten Mischwalzwerke dienen sowohl zum Plastifizieren als auch zum Auswalzen der aus einem Innenkneter geförderten unförmigen Masseklumpen. Sie arbeiten also diskontinuierlich, wobei die Plastifizierung durch die länge der Verweilzeit, d.h. durch mehrmaligen Durchgang,gesteuert wird, so daß mit der Unstetigkeit unterschiedliche Verweilzeiteneinhergehen, die wiederum eine unterschiedlich "beanspruchte Kunststoffmasse entstehen lassen und somit Störungen und Schwankungen im Dauerbetrieb hervorrufen können.

Die bekannten Kneter in Ein- oder Mehrwellenausführung erbringen im Vergleich zu den vorstehend erörterten Maschinen das höchste Schergefälle im Knetspalt. Durch den mehrmaligen, aber unkontrollierbaren Durchgang durch diesen Knetspalt und durch die chargenweise Aufbereitung werden die Eigenschaften der Kunststoffmasse .erfahrungsgemäß immer in gewissen Bereichen schwanken.

Der Erfindung liegt nun die. Aufgabe zugrunde, bei der Be- und Verarbeitung von Kunststoffmassen einen sehr weiten Arbeite- und Fahrbereich durch Maßnahmen zu erzielen, die bisher unbekannt und nicht erreichbar sind, insb. nicht in ihrer Kombination untereinander» TJm die Nachteile der bekannten Maßnahmen und Maschinen zu beseitigen, hat sich durch umfangreiche Versuchsreihen ein Verfahren und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung als vorteilhaft ergeben, dasin folgenden Merkmalen besteht:

Die Plastifizierung und Förderung der Kunststoffmasse sind unabhängig voneinander regelbar in Bezug auf Drehzahl, Schergefälle, Druck und Temperatur. Das Verfahren gemäß der Erfindung arbeitet stetig, um unterschiedliche Verweilzeiten zu vermeiden und die Eigenschaften der Kunststoffmasse voll ausnützen zu können.

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Um jedes Kunststoffteilchen nach. Möglichkeit nur einmal kontrolliert zu beanspruchen in Bezug auf Schergefälle, Verweilzeit, Druck und Temperatur,wird die Schmelze vom Ausgangsprodukt, das z.B. als Granulat oder Pulver vorliegt, oder bereits aufgegebener Schmelze durch einen Enetsteg getrennt. Die Kunststoffmasse passiert den Plastifizierkanal, d.h. den Raum zwischen Zylinderwand und Knetsteg,nur einmal, da die plastische Masse durch den hinter dem Knetsteg liegenden Schälsteg stetig entfernt und unmittelbar ausgestoßen wird. Die Masse wird in einem dünnen Film in einer Stärke unter 1 mm, vorzugsweise unter 0,6 mm,abgetrennt.

Die Plastifizierung erfolgt fast ausschließlich durch Friktion in der Masse. Dadurch wird ein höchster Energieumsatz pro Zeit- und Yolumeneinheit bei geringem Verlust durch Abstrahlung infolge direkter Energieeinleitung in die Kunststoffmasse erzielt. Das erforderliche Schergefälle aatfrbtx*uta:*WJt kann während des Betriebes durch Änderung der Kanaltiefe und der Drehzahl stufenlos eingestellt werden. Die Änderung der Kanaltiefe erfolgt beispielsweise durch die an sich bekannte Längsverschiebung des konischen Knetteils.

Nachstehend werden vergleichsweise die Mittelwerte des Schergefälles in der effektiven Kanal- oder Knetzone bei bekannten Plastifiziermaschinen und dem Gegenstand der Erfindung gegenübergestellt.

Tabelle 1:

Schergefälle = TT· D · n/h = dv/dx (min )

Einschneckenpresse 200

Doppelschneckenpresse 200

Schnellaufende Einschneckenpresse 2.000 Mischwalzwerk 10.000

Innenkneter 20.000

Erfindungsgegenstand 4.000 bis zu 200.000

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Um die Kunststoffmasse auch, bei höheren Temperaturen verarbeiten su können, sind in Sonderheit für Hart-PVC entsprechend kurze Verweilzeiten erforderlich. Daraus ergibt sich die Forderung, daß die Schmelzleistung, d.h. der Durchsatz pro cm , des wirksamen Kanalvolumens sehr hoch sein muß. In folgender Tabelle sind die Mittelwerte der bekannten Plastifiziermaschinen denen des Erfindungsgegenstandes vergleichsweise gegenübergestellt.

Tabelle 2: Schmelzleistung = kg/Std./cm? Polyvinylchlorid

Einschneckenpresse 0,2

Doppelschneckenpresse 0,2

Schnellaufende Einschneckenpresse -

Ki s chwalzwerk 5,8

Innenkneter 20 -

Erfindungsgegenstand 50 -

Durch die hohe Schmelzleistung ist eine kurze Verweilzeit im Bereich von 6 bis 0,1 Sekunden erzielbar. Vergleichsweise gibt die nachstehende Tabelle 3 die Verweilzeit in der Schmelzzone bezw. im Gchneckenkanal für die bekannten Plastifiziermaschinen und dei| Erfindungsgegenstand wieder.

TabeLle 3:

Mittlere Verweilzeit in der Schmelzzone Sekunden

Einschneckenpresse 30

Doppelschneckenpresse 100

oehnellaufende Einschneckenpresse 3

Mischwalzwerk 0,3

Innenkneter 0,3

Erfindungsgegenstand ο, 1 -

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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei kürzester Verweilzeit mit dem höchsten Schergefälle eine hohe Schmelzleistung durch Friktion in der Masse erzielt und anschließend unter Vakuum die plastifizierte Kunststoffmasse drucklos an eine selbständig regelbare Doppelschneckenpresse oder eine an sich bekannte Nachfolgemaschine, wie z.B. Ziehkalander, übergeben.

Eine solche Kombination gestattet es, die Kunststoffmasse mit Friktion bei hohem Schergefälle und kurzer Verweilzeit in einem einzigen Durchgang zu plastifizieren, entgasen, regelbar auszutragen und weiterzuverformen.

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 - die Kombination der Einschneckenpresse A mit der Doppelschneckenpresse B;

Fig. 2 - die Ausbildung der Schneckenspitze der Einschneckenpresse A;

Fig. 3 - die Ausbildung des Knet- und Schälsteges im Schnitt nach der Linie I. - Jfc in Fig. 2;

Fig. 4 - das Staustück mit der Messeranordnung in Ansicht von vorne;

Fig. 5 - die Wellenzapfen mit radialen Fortsätzen.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnungen ersichtlich ist, befindet sich, zwischen der Einschneckenpresse A zum Plastifizieren und der Doppelschneckenpresse B zum Austragen der Kunststoffmasse ein an einer Vakuumquelle angeschlossener Verbindungsschacht C, durch den die plastifizierte Kunststoffmasse zur Doppelschneckenpresse B gelangt. Die Einschneckenpresse A hat eine angetriebene Förderschnecke 1, die eine Hohlspindel 2 hat und mit ihrem ßinzugateil die Kunststoffmasse aus dem Trichter 3 zu dem Verbindungsschacht G fördex't. Durch die Hohlspindel 2 werden Heiz- und Kühlmittel geleitet. Z.B. ist ein Rohr 2¹ vorgesehen,

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das sich über den Hauptteil der Spindellänge erstreckt. Die Förderschnecke 1 rotiert in einem Zylinder 1', den eine ringförmige Heizkammer 4 umgibt, um die Kunststoffmasse im Bereich der wirksamen Knetzone von aussen Zusätzlich zu erhitzen. Die Förderschnecke weist ferner am vorderen Ende einen erfindungsgemäß ausgebildeten konischen Knetteil 5 auf und ist im Einzugsteil und'im Knetteil entweder ein- oder mehrgängig ausgerüstet. Die "beiden Schneckenteile weisen also stets eine übereinstimmende Gangart auf. Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Schnecke hat zwei Gänge, welche die Kunststoffmasse durch den Zylinder fördern.

Der konische Knetteil 5 der Förderschnecke 1 macht etwa 25 "bis 4o io der ganzen Schneckenlänge aus.

Der sxHÄXHtsrxniKiirgäHgxgK Schneckenkanal wird durch einen oder mehrere KnetStege 6 "bis auf einen minimalen Spalt abgeschlossen. Jeder Knetsteg 6 weist auf der Einzugsseite zwischen seiner Flanke und der Zylinderwand einen Winkel von max. 3o° auf, während die rückwärtige Flanke mit der Zylinderwand einen Winkel von max. 6o bildet. Der Abstand zwischen der Knetstegfläche und der Zylinderwand beträgt max. 1 mm. Die Knetstegbreite beläuft sich auf das Mehrfache, mindestens 2-fache,der normalen Schneckenstegbreite.

Die über den Knetsteg 6 geförderte plastifizierte Masse bleibt wie die Erfahrung gezeigt hat - an der Zylinderwand haften und wird vom höheren Schälsteg 7 erfaßt und von der Zylinderwand stetig abgetrennt. Die Differenz zwischen dem Knetsteg und Schälsteg beträgt mindestens 0,1 mm. Die einzugsseitige Flanke des Schälsteges 7 ist hohlkehlartig ausgebildet; seine Breite entspricht der normalen Schneckenstegbreite. Der zwischen dem Knetsteg.6 und Schälsteg 7 gebildete Kanal dient zum unmittelbaren Austragen der plastifizieren Kunststoffmasse.

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Die Schneckenspindel der Einschneckenpresse A hat hinter dem gemäß der Erfindung ausgebildeten konischen Knetteil 5 eine Verlängerung von vermindertem Durchmesser·. Diese Verlängerung kann mit der Spindel einstückig oder an ihr lösbar befestigt sein..Am vorderen Ende der Spindelverlängerung ist ein Staustück 8 aufgekeilt, oder auf eine an sich sonst bekannte Weise befestigt, das an seinem Umfang mit mehreren Ausnehmungen versehen ist, die mit der Innenwand des Zylinders Öffnungen, für den axialen Durchfluß der plastifizierten Kunststoffmasse in den Schacht C bilden*

Soll die so vorbereitete Kunststoffmasse in &ranulatform der Doppelschneckenpresse B oder einer Maehformmasehine bekannter Bauart, z.B.. einem Kalander,, zugeleitet werden, so ist in diesem Pail der Einbau von auswechselbaren Messern 9 am Ende des Zylinders vorgesehen»

Die formlose oder granulierte, plastifizierte Kunststoffmasse gelangt in axialem Durchfluß nun drucklos über den Schacht C, der an einer Vakuumquelle angeschlossen ist, unmittelbar in die Doppelschneckenpresse B oder in eine an sich bekannte Nachformmaschine, wie z.B. einei| Ziehkalander.

Die kämmenden Schnecken Io^f der Doppelschneckenpresse B, welche die plastifizierte Kunststoffmischung aus dem Schacht C zum Mundstück 15 fördern, haben hohle Spindeln 11 und (nicht dargestellte) Scha-ftwellen, die in üblicher Weise gelagert und angetrieben sind. Am antriebsseitigen Ende der Spindeln wird ein Heiz- oder Kühlmittel eingeleitet.

Der Schneckenzylinder 12 ist ebenfalls von einer Heizkammer umgeben und an seinem vorderseitigen Ende mit einem "Plansch versehen, an dem ein Gegenflansch mit Mundstück 15 zu befestigen ist. Die Doppelschneckenpresse B ist als Schnelläufer ausgelegt. Damit das plastifizierte Material auf kürzestem Wege zum Austritt gelangt, kann die Presse mit einer relativ hohen Umfangsgeschwindigkeit, und zwar vorzugsweise mit 0,15 m/sek umlaufen. Als maschinenbauliche Sonderheiten weist jede Schnecke eine große Schneckensteigung auf und ist mehrgängig ausgerüstet bei relativ großer Gangtiefe, die

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"beispielsweise mindestens 2o fo des Sehneekendurehmessers beträgt.

Um plötzliche,lokale Veränderungen in der Geschwindigkeit des axialen Dur abfluss es der Kunststoffmasse, durch die DoppelSchneckenpresse auszugleichen, enden die Schnecken— spindeln in gewindefreie Wellenzapfen 16, die mit den Spindeln ein Stück "bilden oder daran auswechselbar befestigt sind. Diese Wellenzapfen sind schließlich mit einer Vielzahl "von radial eingesetzten und gegeneinander in Seihe versetzten Fortsätzen 17 "versehen, die gerade, runde oder flügeiförmige Form ha"ben.

Der technische Fortschritt des Gegenstandes der Anmeldung liegt darin "begründet, daß die zu plastxfizierende Kunststoffmasse nur mit Friktion bei sehr hohem Schergefälle und kurzer Verweilzeit kontrolliert einmalig plastifiziert und danach zu einem Endprodukt verarbeitet wird.

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Claims

Patentansprüche

1.J Verfahren zum Be- und Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen, insb. Hart-PVC, mit getrenntem Plastifizier- und Fördervorgang, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse durch Friktion bei hohem, stufenlos einstellbarem Schergefälle über 4000 min" in unter 1 mm dünnen Materialschichten und bei hoher Schmelzleistung pro cm Plastifizier-Volumens, über 5o kp/h pro cm und sehr kurzer Verweilzeit unter 6 sek sowie im einmaligen Durchgang unter Trennung der Schmelze vom pulverförmigen oder granulierten Ausgangsstoff stetig plastifiziert wird, worauf die plastifiziert Masse drucklos unter Vakuum in die Förderstufe gelangt und darnach regelbar in eine Doppelschneckenpresse oder eine andere Nachfolgemaschine bekannter Bauart ausgetragen wird.

2. Maschine zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem getrennten Plastifizier- und Förderteil, dadurch gekennzeichnet, daß als Plastifizierteil eine axial verschiebbare Einschneckenpresse A und als Förderteil eine Doppelschneckenpresse B dient.

3· Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschneckenpresse A aus einem an sich bekannten Einzugsteil und einem konischen Knetteil (5) besteht, die je entweder nur ein- oder mehrgängig ausgebildet sind.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des Knetteils (5) an der gesamten Schneckenlänge max. 4ο "/ο beträgt.

5. Maschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sehn eck enkanal im Knetteil der Einschneckenpresse durch einen Knetsteg £6) eingeengt ist, dessen Breite das Mehrfache,, mindestens das 2-fache, der normalen Schneckenstegbreite beträgt

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6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Knetsteg (6) auf seiner, der Materialeinzugsseite liegenden Planke mit der Zylinderinnenwandfläche einen Winkel unter 3o° bildet. . ·

7· Maschine nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Knetsteg (6) sich entsprechend der Konizität des Knetteils stetig verbreitert.

8. Maschine nach Anspruch 2 "bis 7* dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Knetteils (5) der normale lördersteg der
Einschneckenpresse in einen hohlkehlartigen Schälsteg (7)
übergeht, wobei die Stegbreite erhalten bleibt.

9· Maschine nach Anspruch 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem konischen Knetteil (5) ein Staustück (8) angeordnet ist, das am Umfang Ausnehmungen (8^f) aufweist, die mit der Innenwand des Zylinders Öffnungen für den axialen Durchfluß der Masse bilden.

10. Maschine nach Anspruch 9 zum Herstellen von Granulat, dadurch gekennzeichnet, daß am Zylinderende feststehende Messer (9) o.dgl. vorgesehen sind.

11. Maschine nach Anspruch 2 bis Io, dadurch gekennzeichnet, daß die als lörderteil wirkende Doppelschneckenpresse B mit
einer relativen Umfangsgeschwindigkeit, vorzugsweise über
0,15 m/sek, umläuft.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Doppelschneckenpresse B mit großer Schneckensteigung,
mindestens 1D, mehrgängig und mit relativ großer Gangtiefe, mindestens 2o i<> der Schneckendurchmesser, ausgebildet ist.

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13. Maschine nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet,, daß die Schneckenenden der Doppelschneckenpresse B für den Strömungsausglei-ch der Masse mit Fortsätzen (,17) versehen sind.

14. Maschine nach Anspruch 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl, die- E4nschrtecSLenpr©sse> Ä als. auch die Doppel— sehneckenpres-se E von· innen und aussen flüssigkeitatemperiert sind.

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