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Verfahren und Vorrichtung zum intermittierenden Dosieren und Mischen
von Reaktionskomponenten zur Herstellung von Kunststoffen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum intermittierenden Dosieren und Mischen von Reaktionskomponenten
zur Herstellung von Kunststoffen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses
Verfahrens.
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Beim intermittierenden Dosieren und Mischen von Reaktionskomponenten
ergibt sich in der Regel infolge der unterschiedlichen Beschaffenheit und Mengen
der einzelnen Reaktionskomponenten sowie der technisch bedingten Unsymmetrien der
Strömungswege für diese ein Vorlauf einer oder mehrerer Reaktionskomponenten beim
Zutritt zur MischstelleO Infolge des Vorlaufs entstehen Mischfehler im Produkt,
welche eine unerwünschte Veränderung der technologischen Eigenschaften, insbesondere
der Federkennlinie, des Produkts hervorrufen.
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Besonders stark wirkt sich ein Vorlauf bei kurzen Schußzeiten aus.
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Um einen Vorlauf zu beseitigen, führt man bei einem bekannten Verfahren
der eingangs beschriebenen Art die einzelnen Reaktionskomponenten unter sehr hohen
und stark unterschiedlichen Drücken über druckgesteuerte Ventile der Mischstelle
zu. Die Ventile weisen dabei den gleichen Öffnungs- und Schließdruck auf.
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Das bekannte Verfahren, bei welchem also der Vorlauf durch hohe Druckunterschiede
der Reaktionskomponenten ausgesteuert werden solls weist sehr wesentliche Nachteile
auf. Zum einen ist zur Durchführung dieses Verfahrens die Erzeugung von zusätzliche
Energie verzehrendem Hochdruck notwendig und sämtliche hochdruckbeaufschlagten Teile
der Anlage müssen entsprechend stark dimensioniert werden. Dieser Nachteil fällt
ganz besonders ins Gewicht, da beim intermittierenden Dosieren und Mischen ein ständig
wechselnder Druckauf- und -abbau erfolgt, wodurch in der gesamten Anlage stark wechselnde
Maberialbeanspruchungen entstehen. Aus diesem und anderen Grundenist die bekannte
Hochdruckanlage sehr störungsanfällig. Zum anderen entsteht bei dem bekannten Verfahren
infolge der gleichen Schließdrücke für sämtliche, Reaktionskomponenten unterschiedlicher
Drücke zugeordneten Ventile wiederum ein in seiner Wirkung einem Vorlauf entsprechender
Nachlauf einer oder mehrerer Reaktionskomponenten. Dieser Nachlauf muß, beispielsweise
mittels sehr aufwendiger den Druckabbau einzelner Reaktionskomponenten vereögemder,
mechanisch gesteuerter Druckentlastungsvorrichtungen, beseitigt werden0 Der wesentliche
Nachteil des bekannten Verfahrens ist jedoch der, daß die Aussteuerung des Vorlauf
5 durch große Druckunterschiede der einzelnen Reaktionskomponenten nur möglich ist,
wenn sich die einzelnen Reaktionskomponenten in ihrer Beschaffenheit, insbesondere
Zähiga keit, und in ihren Mengenanteilen verhältnismäßig geringfügig unterscheiden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches
und wirksames Verfahren zum intermittierenden Dosieren und Mischen von Reaktionskomponenten
zu schaffen, welches nicht die Nachteile des bekannten Verfahrens aufweist und insbesondere
auch ein Dosieren und Mischen von in ihrer Zähigkeit sowie ihren Mengenanteilen
stark unterschiedlichen Reaktionskomponenten erlaubt, ohne daß ein Verlauf auftritt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß man unter Niederdruck
die Reaktionskomponenten, die sich in ihren Viskositäts- und Mengenverhältnissen
stark unterscheiden, ohne Vorlauf in die-Mischstelle eintreten läßt, wobei der Eintritt
der Reaktionskomponenten über elektronisch gesteuerte Ventile erfolgt und die Steuerung
mindestens eines Ventils unabhängig von den Pöraervorrichtungen für die Reaktionskomponenten
einstellbar ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit der Vorlauf einer oder
mehrerer Reaktionskomponenten wesentlich einfacher und genauer und in einem viel
größeren Bereich der Viskositäts- und Mengenverhältnisse als bei dem bekannten Verfahren
ausgesteuert, wobei zusätzlich ein NachlauS in der Regel nicht auftritt. Infolge
der durch die elektronische Steuerung erzielten äußerst genauen Aussteuerung des
Vorlaufs ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei kürzesten Schußzeiten verwendbar.
Die Verwendung von Niederdruck erlaubt eine sparsamste Dimensionierung der gesamten
Dosierungs- und Mischsorrichtung und ergibt überdies eine optimale Konstanz der
zeitlichen Fördermengen, welche in Verbindung mit der erzielten optimalen Vorlauffreiheit
eine genaueste Einhaltung der vorgegebenen Rezepte bei äußerst gleichmäßiger Vermischung
der einzelnen ReBktionskomponenten gewahrleistet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden zur Herstellung von Kunststoffen zwei Reaktionskomponenten verwendet und
die Zutrittsventile beider Reaktionskomponenten nach einem unabhängig von den Fördervorrichtungen
einstellbaren Programm elektronisch gesteuert.
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Die Steuerung der Zutrittsventile beider Reaktionskomponenten ermöglicht
eine praktisch nicht mehr zu verbessernde Aussteuerung des Vorlaufs einer Reaktionskomponente.
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Als hochviskose Reaktionskomponente kann man ein Prepolymeres zur
Herstellung von Polyurethan und als niedrigviskose Reaktionskomponente kann man
einen Kettenverlängerer zur Polyurethanbildung; vorzugsweise ein Diol, insbesondere
1,4-Butandiol oder l,6-Hexandiol einsetzen. Dabei kann das Mengenverhältnis der
hochviskosen zur niedrigviskosen Reaktionskomponente mehr als 10:1, insbesondere
50:1, betragen.
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Die Einstellung des Steuerprogramms für die Zutrittsventile erfolgt
erfindungsgemäß mit Vorteil durch Einstellung unterschiedlicher Anzugverzögerung
an elektronischen Relais. Dadurch wird eine genaueste Einstellung der Öffnungszeitpunkte
der Zutrittsventile zueinander ermöglicht, was eine optimale Aussteuerung des Vorlauf
5 zur Folge hat.
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Zweckmäßigerweise sind die bis zur Mischstelle führenden Austrittewege
der Zutrittsventile derart ausgebildet und zueinander angeordnet, daß eine Reaktionskomponente
von der anderen ummantelt* vorzugsweise axial, zur Mlschstelle hinzutritt.
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Durch dieses Erfindungsmerkmal werden die Voraussetzungen für eine
äußerst gleichmäßige Vermischung der beiden Reaktionskomponenten gesohaffen.
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Eine äußerst wirtschaftliche und praktische Vorrichtung wird erzielt,
wenn dabei sämtliche Zutrittsventile in einem gemeinsamen kompakten Ventilgehäuse
örtlich nahe der Mischstelle angeordnet sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachstehend anhand eines in der
Zeichnung schematisch dargestellten Ausfuhrungsbeispiels einer Vorrichtung zu seiner
Durchführung näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig.i das Anlage schema einer Vorrichtung zum intermittierenden
Dosieren und Mischen von zwei Reaktionskomponenten, Fig.2 das strichpunktiert umrahmte
Detail II aus Figur 1 in genauerer Darstellung und Fig.3 einen parallel zur Zeichenebene
liegenden Schnitt aus Figur 20 Die in Pigur 1 dargestellte Anlage dient zum intermittierenden
Dosieren und Mischen von zwei Reaktionskomponenten zur Herstellung von Kunststoffen.
Die beiden Komponenten sind zum einen ein Prepolymeres mit einer Viskosität von
beispielsweise 2500 cP, zum anderen ein Kettenverlängerer mit einer Viskosität von
beispielsweise 10 cP, welche in einem Sengenverhältnis von beispielsweise 50:1 dosiert
und vermischt werden.
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Wie aus dem Anlagenschema zu ersehen, weist die Anlage für die beiden
Reaktionskomponenten im wesentlichen die gleichen einander entsprechenden Einzelteile
auf, welche der Einfachheit und Ubersichtlichkeit halber mit gleichen Bezugs ziffern
versehen sind, wobei die Bezugsziffern auf der Prepolymerseite
eingestrichen
und die auf der Kettenverlängererseite zweigestrichen ind.
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Zum intermittierenden Dosieren und Mischen werden das in einem Behälter
1' befindliche Prepolymeres und der in einem Behälter 1 " befindliche Kettenverlängerer
mittels Pumpen 2' bzw. 2'0 in Richtung der Pfeile 2at bzw.2at' gefördert, welche
durch Elektromotoren 3 bzwa 3 t t angetrieben werden0 Bei entsprechender in der
Zeichnung gestrichelt dargestellter Stellung von Zutrittsventilen 4' bzw. 4'1 werden
die beiden Reaktionskomponenten gleichzeitig einem durch.eine Antriebsvorrichtung
5 angetriebenen mechanischen Rührer 6 zugeführt, in welchem sie gleichmäßig vermischt
und aus welchem sie anschließend als Kunststoff in eine nicht dargestellte Produktform
ausgetragen werden. Die übrigen in dem Anlagenschema dargestellten Teile dienen
im wesentlichen zur Steuerung der Anlage und werden im folgenden an Hand einer Beschreibung
der Inbetriebsetzung und des weiteren Betriebes der Anlage näher erläutert, Nach
dem Aufheizen der Anlage wird der Antriebsmotor 3 " für die Kettenverlängerer-Pumpe
2" eingeschaltet und der Kettenverlängerer durch einen 7ypass 8" umgepumpt. Bei
anschliessendem Schließen eines Kontaktes 9 zieht ein Motorschütz 10 an und wird
durch eine Halteleitung 11 geschlossen gehalten.
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Gleichzeitig läuft ein elektronisches anzugverzögertes Relais 12 an
und überbrückt die Zeit, bis der Antriebsmotor 3' für die Prepolymer-Pumpe 2' auf
seine Nenndrehzahl hochgelaufen und ein Prepolymer-Schlauch 13' bis zu etwa einem
Punkt 14' gleichmäßig gefüllt ist. Messungen an verschiedenen Anlagen haben gezeigt9
daß die durch das Relais 12 überbrückte Basiszeit je nach Maschinengröße und Schlauchquerschnitt
zwischen einer und 2 Sekunden liegt. Sie kann am Relais 12 stufenlos und damit sehr
genau eingestellt werden.
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ach Ablauf der Basis zeit werden zum direkten vorlauffreien Zusammenführen
der beiden Reaktionskomponenten an ihrer Eintrittsstelle 15 in den Rührer 6 die
Ventile 4' und 4t' in die gestrichelt dargestellte Stellung gebracht, also geöffnet,
was durch Erregung von elektronischen anzugverzögerten Relais 16' bzw.16 " eingeleitet
wird, welche Magnetventile 17' bzw. 17" zur Steuerung von äußerst schnell wirksamen
Steuerzylindern 18t bzw. 18" für die-Ventile 4' bzw. 4" erregen.
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Will das Prepolymeres vorlaufen, was am häufigsten auftritt, so wird
sein Ventil 4' gegenüber dem Ventil 4'' des Kettenverlängerers verzögert geöffnete
Die notwendige Öffnungsverzögerung, welche durch Messungen ermittelt wird, wird
auf einfache Weise durch stufenlose und damit sehr genaue Einstellung der Anzugversögerung
des Relais 16' herbeigeführt.
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Die Einstellung der Anzugverzögerung und damit des Programms für die
Ventilsteuerung erfolgt willkürlich und demnach unabhängig von den Xördervorrichtungen
fur die beiden Reaktionskomponenten.
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Um eine äußerst genaue Aussteuerung des Vorlaufs des Prepolymeres
zu erreichen, ist auch das Relais 16" anzugverzögert, wobei die stufenlose Einstellung
seiner Anzugverzögerung und die Einstellung der Anzugverzögerung des Relais 16 genauestens
aufeinander abgestimmt werden. Dadurch können auch minimale relative Verzögerungszeiten
von beispielsweise 0,01 Sekunden äußerst genau eingehalten werden, wodurch eine
optimale Aussteuerung des Vorlaufs des PrepolFmeres erreicht wird.
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Mit dem Anziehen des letzten Relais, also des Relais 16'', und damit
mit dem offenen des Ventils 4'', wird über einen Wahlschalter 19 eine Zeituhr 20
oder eine anders eingestellte Zeituhr 20a oder 20b oder 20c eingeschaltet, welche
die oftnungszeit der Ventile 4' und 4 " und damit die Dosierzeit begrenzt
und
bei weiteren Schüssen konstant hält. Dies geschieht jeweils dadurch, daß nach Ablauf
der an der Zeituhr 20 bzw. 20a bzw.20b bzw020c eingestellten Zeit ein Öffher 21
bzw¢21t bzw.21b bzw.
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21c den Steuerstromkreis unterbricht. Dadurch werden nach Abfallen
der Relais 16' und 16 '' die Magnetventile 17' und 17'' umgesteuert, wobei letztere
die Ventile 4' und 4" schlagartig umschalten und damit wieder schließen, Die nach
dem Schließen des Ventils 4' während des Auslaufens des Antriebsmotors 3' geförderte
Prepolymermasse wird abgefangen und auf schnellstem Wege in den Behälter lt zurückgeleitet,
da das Prepolymeres zur Vermeidung von unerwünschten chemischen Reaktionen nicht
wie der Kettenverlängerer beliebig umgewälzt werden darf.
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Da nach Ablauf der vorgegebenen Dosierzeit beide Ventile 4t und 4'(
gleichzeitig in Bruchteilen von Sekunden geschlossen werden, tritt grundsätzlich
kein Nachlauf einer Komponente auf 0 Sollte jedoch wider Erwarten ein Nachlauf auftreten,
so ist es möglich, diesen mittels unterschiedlich abfallverzögerter elektronischer
Relais 22' bzwo 22" auszusteuern.
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Sind die mittels des Rührers 6 gleichmäßig miteinander vermischten
Reaktionskomponenten in die Produktform ausgetragen, so folgt der nächste Dosiertakt
undsoweitero In Figur 2 ist das im Anlagen schema gemäß Figur 1 strichpunktiert
eingerahmte Detail II im einzelnen dargestellt, wobei wiederum Figur 3 einen parallel
zur Zeichenebene liegenden Schnitt aus Pigur 2 zeigt. Die durch Drehschieber gebildeten
Ventile 4' und 4" sind zusammen mit zugehörigen Ventildichtungen 23t bzw. 23zt in
einem gemeinsamen kompakten Ventilgehäuse 24 angeordnet. Mit dem Ventilgehäuse 24
ist der mechanische Rührer 6 in kompakter Bauweise verbunden und ausserdem sind
die beiden Stellzylinder 18' und 182' direkt am Ventilgehäuse 24 befestigt.
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Ebenso wie in Figur 1 sind in den Figuren 2 und 3 die Ventile 4 und
4't in Schließstellung dargestellt. Durch Umsteuerung der Stellzylinder 18' und
18t t werden deren Stellhebel 25' bzw. 25" in die in Figur 2 gestrichelt dargestellte
Stellung gebracht, wobei die Ventile 4t bzw. 4", deren Drehachsen mit den Drehachsen
26' bzw. 26-'' der Stellhebel 25' bzw. 25" zusammenfallen, in die in Pigur 9 gestrichelt
dargestellte Stellung gebracht und damit geöffnet werden. In dieser Öffnungsstellung
der Ventile 4' und 4" durchströmen die beiden Reaktionskomponenten das Ventilgehäuse
gemäß den Pfeilen 2a' bzw.
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2a'' und werden an der Eintrittsstelle 15 in den Rührer 6 direkt vorlauffrei
zusammengeführt. Die bis zur Eintrittsstelle 15 führenden Austrittswege der Zutrittsventile
(4', 4'') sind derart ausgebildet und zueinander angeordnet, daß in vorteilhafter
Weise eine Reaktionskomponente von der anderen ummantelt an der Eintrittsstelle
15 axial in den Rührer 6 eintritt.
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Es soll noch erwähnt werden, daß die in Figur 1 dargestellte Anlage
nicht nur zum intermittierenden Dosieren und Mischen von Reaktionskomponenten nach
dem Prepolymer-Verfahren, sondern auch nach dem One-Shot-Verfahren verwendbar ist.
Bei letzterem Verfahren ergibt sich im übrigen eine Vereinfachung für das Inbetriebsetzen
der Anlage, was im folgenden gezeigt. werden soll.
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Da es im One-Shot-Verfahren infolge der Beschaffenheit der beiden
Reaktionskomponenten möglich ist, diese dauernd über die typässe 8' bzw. 8t zu fördern
wird auch der Antriebsmotor 3' zusammen mit dem Antriebsmotor 3t gleich bei Inbetriebsetzung
der Anlage eingeschaltet und ebenfalls wie dieser nicht nach jedem Schuß gestoppt.
Eine durch das Relais 12 bewirkte Basiszeit entfällt damit vollends. Im übrigen
läuft die Schußfolge beim One-Shot-Verfahren prinzipiell ebenso wie beim Prepolymer-Verfahren
ab.
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Zum Umschalten der Anlage von Prepolymer-Verfahren auf One-Shot-Verfahren
sind folgende wesentliche Veränderungen vorzunehmen: Umschalten eines Wahlschalters
27 in die in Figur 1 gestrichelt dargestellte Schaltstellung, um das Weiterlaufen
des Antriebsmotors 5 2 auch nach Schußende einzuleiten; Austausch der Pumpe 2" sowie
einer Düse 28 " (Figur 3) zur Zuführung der zweigestrichenen Komponente zur Eintrittsstelle
15 sowie schließlich die Einstellung der notwendigen Verzögerungswerte an den Relais
16' bzw, 16'', welche zum direkten vor lauffreien Zusammenführen der beiden Reaktionskomponenten
an der Eintrittsstelle 15 erforderlich sind.
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Um eine Auswirkung von eventuellen Netzschwankungen auf die erfindungsgemäße
elektronische Steuerung zu vermeiden, kann der Steuerkreis entweder mit geeigneten
zusätzlichen Regeleinrichtungen versehen oder an eine eigene Stromversorgung angeschlossen
werden0 9 Patentansprüche 3 Blatt Zeichnungen