DE19534813C2 - Laborextruder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Laborextruder zur Aufbereitung und Verarbeitung von Kunststoffen.

Laborextruder sind bekannt. Ihre Anschaffung empfiehlt sich, weil sich beim Extrusionsvorgang nicht alles genau durch Rechnung vorherbestimmen läßt. Das resultiert aus der Vielfältigkeit und Komplexität des Extruders bzw. der Aufbereitung und Verarbeitung von Einsatzmischungen.

An sich ist der Extruder ein äußerlich einfaches Werkzeug. Als Einschneckenextruder besteht er lediglich aus einer Schnecke, die in einem Gehäuse dreht, das mit der Einsatzmischung beschickt wird. Zeitgemäße Kunststoffe bestehen nämlich häufig aus einer Mischung mehrerer Kunststoffe und diversen Additiven bzw. Zuschlägen. Das heißt, die Einsatzmischung ist eine Mehrstoff/phasenmischung. Der Extruder hat die Aufgabe, die Einsatzmischung zu plastifizieren, zu homogenisieren und Additive/Zuschläge und andere Zusätze, z. B. Treibmittel, in der Schmelze zu dispergieren. Mit einem einzigen Werkzeug sollen mehrere Stoffe in unterschiedlichen Zuständen gleichzeitig behandelt und zu einem vorbestimmten Ergebnis geführt werden.

Grundsätzlich läßt sich eine Optimierung des Arbeitsvorganges während der Produktion vornehmen. Das führt jedoch zu wechselnden Produktqualitäten, die insbesondere dann unerwünscht sind, wenn bestimmte Qualitäten eingehalten werden sollen. Praktiker helfen sich mit einem Laborextruder. Verwendet werden Extruder kleinerer Baugrößen, bei denen das Material einfach probeweise durchgesetzt wird. Die aus dem Extruder austretende Schmelze wird zunächst nach ihrem Äußeren beurteilt, in selteneren Fällen einer weitergehenderen Untersuchung unterzogen.

Die Erfindung geht auch von der Notwendigkeit eines Laborextruders, zugleich aber auch von der Erkenntnis aus, daß die bisherige Handhabung unzulänglich ist. Insbesondere fehlt eine zuverlässige Möglichkeit zur Bestimmung der Plastifizierungsstrecke und/oder Mischstrecke und/oder Kühlstrecke.

Zwar ist aus der DE 39 37 612 A1 ein Planetwalzenextruder bekannt, dessen Schnecken sich auslaufseitig verjüngen, so daß der Austrittsquerschnitt durch die Entfernung der Verzahnung in der Front vergörßert wird und dadurch die Wirkung einer Volumenserweiterung eintritt, so daß die in dem Extruder geförderte Schmelze nicht mehr so stark zurückgestaut wird. Eine Möglichkeit zur Bestimmung der Plastifizierungsstrecke und/oder Mischstrecke und/oder Kühlstrecke ist damit nicht aufgezeigt.

Zwar zeigt der Katalog der Firma Schalker Eisenhütte einen Laborextruder als Messeneuheit zur K 95. Das dargestellte Gerät behinhaltet lediglich eine verkleinerte Wiedergabe eines für die Produktion geeigneten Gerätes. Der Durchlauf neuer Einsatzmaterialien erlaubt nur einen sehr beschränkten Rückschluß auf die richtigen Auslegungs- und Verarbeitungsdaten für einen Extruder in kommerzieller bzw. großmaßstäblicher Extrudergestaltung.

Ähnliches gilt für den Verweilzeitregler, der aus der Veröffentlichung DE-Z Kunststoffberater, 10, 1983, S. 41 bis 43 bekannt ist. Dort ist ein Planetwalzenextruder vorgesehen, dessen Planetwalzenspindeln von einem Anlaufring gehalten werden. Durch Veränderung des Anlaufringes kann der Ausströmquerschnitt und damit die Verweilzeit der Masse beeinflußt werden. Damit kann die Verweilzeit in bestimmten Grenzen beeinflußt werden. Die Verkleinerung des Ausströmquerschnittes hat jedoch einen Rückstau im Extruder zur Folge. Der Druckaufbau verfälscht die gewünschten Auslegungsdaten. Das wird für die Kühlstrecke besonders deutlich, denn durch Druckerhöhung entsteht mehr Reibung und im weiteren auch mehr Wärme in dem Extruder. Für die Bestimmung der Kühlstrecke ist das ausgesprochen ungünstig.

Hinzu kommt, daß der Extruder sich nicht vollständig verschließen läßt.

Bei weiterem Extruderbetrieb würde das normalerweise zu einem Bruch der Zentralspindel führen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Laborextruder zu schaffen, mit dem sich die gewünschen Auslegungs- und Verarbeitungsdaten leicht und zuverlässig beschaffen lassen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Nach der Erfindung wird das mit Hilfe eines besonderen Planetwalzenextruders als Laborextruders erreicht. Das Erfindungsgemäße und Besondere des Planetwalzenextruders ist, daß der Extruder wie eine Pumpe mit Kurzschlußstrom betrieben wird. Nicht die Pumpwirkung des Extruders ist dabei das Besondere, sondern der Betrieb mit Kurzschlußstrom. Nach der Erfindung wird dabei in dem Planetwalzenextruder eine Leckströmung erzeugt, die zu einer Materialkreislaufströmung im Extruder führt. Am Planetwalzenestruder läßt sich diese Kreislaufströmung dadurch leicht erzeugen, daß eine oder mehrere der Planetspindeln aus dem Extruder entfernt werden. Das geschieht am Planetwalzenextruder sehr leicht, weil die Planetspindeln nach Entfernen des Anlaufringes durch werteres Drehen der Zentralspindel aus dem Extruder herausgefahren werden können. In diesem Sinne können bei einer Ausgangszahl von 8 Planetspindeln z. B. 4 Planetspindeln entfernt werden.

Der Kurzschlußstrom wird durch einen Verschluß des Extruderaustritts wesentlich unterstützt.

Vorzugsweise werden mindestens drei gleichmäßig am Umfang der Zentralspindel verteilt angeordnete Planetspindeln beibehalten. Das bewirkt eine gleichmäßige Abstützung der Zentralspindel auf ihrer Länge. Die Zentralspindel würde bei weniger als drei, die Zentralspindel als Eckpunkte eines Dreiecks zwischen sich einschließenden Planetspindeln stark auf Biegung belastet.

Vorzugsweise werden Planetwalzenextruder mit einem Teilkreisdurchmesser von 40 bis 100 mm verwendet. Der hier maßgebliche Teilkreisdurchmesser ist derjenige von der Innenverzahnung des Extrudergehäuses oder einer in dem Extrudergehäuse sitzenden Buchse, mit dem die Planetwalzenspindeln kämmen. Die Planetwalzenspindeln kämmen nämlich nicht nur mit der Zentralspindel. Aufgrund des gleichzeitigen Eingriffes der Planetspindeln mit der Innenverzahnung im Gehäuse bzw. der Buchse und mit der Anßenverzahnung der Zentralspindel entsteht die Planetenbewegung um die Zentralspindel.

Die Planetwalzenextruder mit 100 mm Teilkreisdurchmesser besitzen 6 bis 8 Planetwalzenspindeln Planetwalzenextruder mit einem Teilkreisdurchmesser von 40 mm besitzen 5 bis 6 Planetwalzenspindeln. Daraus ergibt sich in einem Extrem nach der Erfindung eine Variationsmöglichkeit mit 3 bis 5 Planetwalzenspindeln und im anderen Extremfall ein Variationsmöglichkeit mit 2 bis 3 Planetwalzenspindeln.

Die den Kurzschlußstrom kennzeichnende Rückströmung entsteht in den durch Herausnahme von Planetwalzenspindeln entstandenen Hohlräumen.

Vorteilhafterweise kann der Laborextruder zur Einstellung optimaler Plastifzierung und/oder Homegenisierung und/oder Dispergierung und/oder Abkühlung der Schmelze in jeder notwendigen zeitlichen Länge (Dauer) gefahren. Im Grunde ist das unabhängig von der Länge des Planetwalzenteils, so daß dessen Länge kleiner oder gleich 500 mm sein kann. Wahlweise kann die sich bei optimalem Zustand ergebende Zeit zur Bestimmung der Plastifizierlänge(strecke) und/oder Homogenisierlänge(strecke) und/oder Dispergierlänge(strecke) und/oder Kühllänge(strecke) an dem Betriebsextruder herangezogen werden. Mit wenigen Vergleichsversuchen läßt sich ein Umrechnungsfaktor für die Anwendung der Versuchsergebnisse auf die Betriebsanlage bestimmen. Für die dann gewünschte Anpassung des vorhandenen Extruders ist ein aus einzelnen Schüssen zusammengesetzter Planetwalzenextruder der Betriebsanlage von Vorteil. In einer solchen Anlage lassen sich zusätzliche Schüsse zur Verlängerung von Bearbeitungsstrecken einfügen oder einzelne Schüsse zur Verkürzung von Bearbeitungsstrecken herausnehmen.

Ein wesentlicher Gebrauchsvorteil an dem erfindungsgemäßen Laborextruder ergibt sich durch einen aufmachbaren Verschluß am Extruderaustritt. Nach Öffnen des Extruderaustritts kann das Versuchsmaterial aus dem Extruder herausgefahren und der Extruder mit festen oder flüssigen Reinigungsmitteln gereinigt werden. Solche Reinigungsmittel sind z. B. Mais oder Heißwasser.

Weitere Gebrauchsvorteile ergeben sich durch eine vertikale und/oder schwenkbare Anordnung des Laborextruders. Durch die Vertikalanordnung fällt das Einsatzgut aufgrund seiner Schwerkraft in den Einzugsbereich der Walzen. Ferner erleichtert die Vertikalanordnung das Leerfahren des Extruders.

Die Schwenkbarkeit des Extruders erlaubt es z. B., den Extruder über eine Abfalltonne oder über verschiedene Probennahmestellen zu schwenken. Die Probennahme erfolgt durch kurzzeitiges Öffnen des Extruderaustritts.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Laborextruder schematisch dargestellt. Auf einer Säule 1 ist ein Schwenkarm 7 schwenkbeweglich befestigt. Der Schwenkarm 7 trägt Motor und Getriebe für ein Planetwalzenteil 2. Das Planetwalzenteil 2 ist mit einem Aufgabetrichter 4, der eine seitliche Aufgabeöffnung 6 in Form eines Maules besitzt an dem Schwenkarm 7 aufgehängt. Mit 3 sind die Zu- und Abflüsse für Heiz- bzw. Kühlmedien bezeichnet.

Das Planetwalzenteil besitzt einen nachfolgend noch erläuterten verschließbaren Austritt. Das Planetwalzenteil besitzt in üblicher Ausbildung ein Gehäuse, eine Zentralspindel und Planetspindeln, die aufgrund geeigneter Verzahnung sowohl mit der Zentralspindel als auch mit einer in dem Gehäuse angeordneten, innenverzahnten Buchse kämmen. Im Ausführungsbeispiel ist der Teilkreisdurchmesser der Innenverzahnung der Buchse 80 mm. Die Designzahl der Planetwalzenspindeln ist 6. Mit Designzahl ist die Zahl von Spindeln bezeichnet, die sich bei einer Ausbildung für einen Normalbetrieb ergeben.

Für einen Testlauf mit einer Kunststoff-Einsatzmischung werden im Ausführungsbeispiel 3 Planetwalzenspindeln herausgenommen. Das wird nachfolgend noch erläutert.

Bei verschlossenem Extruderaustritt wird die durch den Aufgabetrichter 4 in den Planetwalzenteil 2 gelangte Einsatzmischung so lange gefahren, bis sich eine gewünschte Schmelzebeschaffenheit eingestellt hat. Das geschieht mit zwischenzeitlichen Proben. Dazu wird der Extruderaustritt kurzzeitig geöffnet und eine Probenmenge abgelassen.

Nach Beendigung des Versuchslaufes wird der Extruder über eins Abfalltonne verschwenkt, der verbliebene Inhalt herausgefahren und ein Reinigungslauf mit Mais durchgeführt.

Der erfindungsgemäße Laborextruder ist ein Tischgerät mit einer Höhe von 1400 mm und einem Längenmaß von 800 mm.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Einzelheiten der Ausführungsform, wobei alle Figuren untereinander anzuordnen sind und der Abstand des aus Fig. 4 ersichtlichen unteren Extruderendes zum Aufgabetrichter stark verkürzt ist.

Fig. 2 zeigt im einzelnen den Aufgabetrichter mit einem Gehäuse 10, das mit einem oberen Flansch an dem Schwenkarm 7 befestigt ist und mit dem Getriebe 5 korrespondiert. Es führt eine Antriebswelle 12 von dem Getriebe zu der Zentralspindel des Planetwalzenteils 2. Die Kontur der Öffnung 6 ist in Fig. 2 mit 11 bezeichnet.

Die Fig. 3 beinhaltet eine Fortsetzung der Fig. 2.

Mit 15 ist der eigentliche Trichter des Aufgabetrichters 4 bezeichnet. Es ist die Zentralspindel mit 16 bezeichnet, die Planetwalzenspindeln mit 17 und 18. Die Planetwalzenspindeln 17 und 18 haben unterschiedliche Längen. Die unterschiedlichen Längen erlauben es, die Planetwalzenspindeln nacheinander zwischen die Zentralspindel 16 und die innenverzahnte Buchse 21 bei sich drehender Zentralspindel zu fahren. Der Längenunterschied kennzeichnet den zeitlichen Spielraum für die Einbringung der jeweils nachfolgenden Planetwalzenspindeln.

Im Betriebsfall laufen die Spindeln gegen einen in Fig. 4 erläuterten Anlaufring, so daß sich die Stellung der Köpfe in Fig. 3 ergibt.

Das Gehäuse 22 des Planetwalzenteils 2 ist mit Schwenkschrauben am unteren Rand des Aufgabetrichters 4 lösbar befestigt. Die Schwenkschrauben erleichtern das Lösen und Befestigen, indem sie eingeschwenkt bzw. durch Schwenken außer Eingriff gebracht werden können.

Fig. 4 zeigt am unteren Ende des Gehäuses 22 einen Flansch 23, der den Anlaufring 25 für die Planetwalzenspindeln aufnimmt. Die Zentralspindel endet in einer Spitze 26, welche in einem aufgeschraubten Deckel 24 die Austrittsöffnung 28 des Extruders 2 bestimmt. Als Verschraubung dienen wiederum Schwenkschrauben 27.

An dem Deckel 24 ist ein Verschluß 29 in Form einer drehbeweglichen Scheibe angeordnet. Die drehbewegliche Lagerung bildet ein Arm 31, der mit einem Gewindebolzen in ein Schraubgewinde des Deckels 24 greift. Durch Drehung des Armes 31 kann der Verschluß 29 deshalb in jeder Drehstellung arretiert werden. Zur Drehung ist an dem Verschluß 29 ein Hebel 30 vorgesehen.

In dem Verschluß befindet sich am Rand eine halbkreisförmige Ausnehmung, mit der bei gewünschtem Materialaustritt aus dem Extruder 2 die Austrittsöffnung 28 frei gesetzt wird. In anderen Drehstellung verschließt der Verschluß 29 die Austrittsöffnung.

Claims (4)

1. Laborextruder zur Aufbereitung und Verarbeitung von Kunststoffen unter Verwendung eines Planetwalzenextruders mit Zentralspindel, umlaufenden Planetwalzenspindeln und innen verzahntem Gehäuse sowie mit einem Extruderaustritt, gekennzeichnet durch

• a) Reduzierung der Planetwalzenspindelzahl unter Beibehaltung von mindestens 3 Planetwalzenspindeln (17, 18),
• b) verschließbaren Extruderaustritt

wobei sich durch vollständiges Verschließen eine Kreislaufströmung einstellt.

2. Laborextruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vertikale Anordnung des Extruders (2).

3. Laborextruder nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Planetwalzenextrudern (29 mit einem Teilkreisdurchmesser von 40 mm bei einer Planetspindelzahl von 5 bis 6, bis zu einem Teilkreisdurchmesser von 100 mm bis zu einer Planetspindelzahl von 6 bis 8.

4. Laborextruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch unterschiedliche Längen der Planetwalzenspindeln (17, 18).