DE19603036A1

DE19603036A1 - Verfahren zur Plastifizierung von Kunststoff-Granulat und vollständigen oder vorzerkleinerten Kunststoff-Formteilen und -Halbzeugen

Info

Publication number: DE19603036A1
Application number: DE1996103036
Authority: DE
Inventors: Helmut Prof Dr Kaeufer; Joachim Dipl Ing Dr Wagenblast
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-01-29
Filing date: 1996-01-29
Publication date: 1997-07-31

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahrensvariante zur Plastifizierung von Kunststoffen unter Verwendung einer Schneckenmaschinen und weiteren peripheren Anlagenbestandteilen, bei der Teile der Materialerwärmung außerhalb der eigentlichen Schneckenmaschine stattfinden. Die erfindungsgemäße Art der Plastifizierung dient dem Bereitstellen einer polymeren Schmelze zum Zwecke der Verarbeitung, bei der die Materialerwärmung bis zum Aufschmelzen des Kunststoffs in mehreren Stufen erfolgt.

Die in der Praxis existierenden Verarbeitungsverfahren mit Schneckenmaschinen arbeiten überwiegend nach dem Prinzip, wobei das Kunststoffmaterial bei Raumtemperatur der Schneckenmaschine zugeführt wird. Insbesondere bei Einschneckenmaschinen wird der Kunststoff in einer relativ langen Einzugszone durch Wärmeübergang zwischen Zylinderwand und Kunststoffmaterial bis zu dessen Erweichungspunkt erwärmt. Die eigentliche Plastifizierung erfolgt in der relativ kurzen Kompressionszone durch Einleitung mechanischer Energie. Die abschließende Meteringzone dient der Homogenisierung der Kunststoffschmelze. Die Einzugszone hat außerdem die Aufgabe die Materialförderung aufzubauen und ist daher maßgebend für die Durchsatzleistung einer Schneckenmaschine. Die Durchsatzleistung kann mit zunehmender Länge der Einzugszone erhöht werden. Eine Durchsatzsteigerung läßt sich auch durch die Verwendung von Nutbuchsen im Einzugsbereich erreichen.

Die Verfahrensweise mit kalter Materialzufuhr hat den Nachteil, daß besonders bei Einschneckenmaschinen die Materialerwärmung in der Einzugszone über Wärmeleitung nur langsam erfolgt und daher mit entsprechenden Energieverlusten durch Wärmekonvektion und Wärmeabstrahlung des Zylinders zu rechnen ist. Ebenfalls nachteilig ist die aus der Einzugszone resultierenden Baulänge der Schnecke, die insbesondere den Bestrebungen der Hersteller von Spritzgießmaschinen nach kürzeren Anlagen entgegensteht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, nach der eine Plastifizierung von Kunststoffen bei geringerem Energieverbrauch und kürzeren Baulängen und/oder höheren Massedurchsätzen der Schneckenmaschine durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Kunststoffmaterial (in der Regel Granulat) zunächst in größeren Mengen erwärmt. Die Erwärmung kann mittels Heißluft in handelsüblichen Trocknern oder mit energiereicher Strahlung erfolgen. Eine weitere Möglichkeit ist die Materialerwärmung in entsprechenden Behältern eines Dosiergerätes. Die Materialtemperaturen liegen in diesem ersten Erwärmungsschritt unterhalb des Erweichungsbereichs des jeweiligen Kunststoffs. In einer zweiten Temperaturstufe wird der Kunststoff bis zum Erweichungsbereich erwärmt. Die Erwärmung in der zweiten Stufe erfolgt unmittelbar vor Eintritt des Materials in die Schneckenmaschine. Dabei werden nur kleinere Materialmengen erwärmt, um Materialschädigungen bei Maschinenstörungen gering zu halten. Die Materialerwärmung der zweiten Stufe kann idealerweise in einer Dosiervorrichtung realisiert werden, sie erfolgt ebenfalls mittels energiereicher Strahlung oder Heißluft in einem Behälter der im Verfahrensablauf vor die Schneckenmaschine geschaltet ist. Eine gleichmäßige Materialerwärmung und -weiter leitung in die Schneckenmaschine kann durch ein Mischwerkzeug im Dosierbehälter sichergestellt werden.

Bei Verwendung von Heißluft kann diese für die Materialzuführung in die Schneckenmaschine genutzt und der Aufbau der Materialförderung, insbesondere bei Verwendung einer verkürzten Einzugszone, durch Materialansaugung im Einzugsbereich sichergestellt werden.

Im weiteren Verlauf des Verfahrens wird das Material in der verkürzten Einzugszone der Kompressionszone zugeführt. Das durch die Erwärmung außerhalb der Schneckenmaschine erweichte Material kann nach Aufnahme durch die Einzugszone unmittelbar über die Kompressionszone plastifiziert werden. Eine Erwärmung durch eine sonst übliche lange Einzugszone ist nicht erforderlich.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß der Plastifizierprozeß insgesamt unter geringerem Energieaufwand durchgeführt werden kann. Die Materialerwärmung bis zum Erweichungsbereich des jeweiligen Kunststoffs wird insbesondere bei Einschneckenmaschinen durch das Einleiten überwiegend thermischer Energie erreicht. Der Erwärmung des Materials in der Einzugszone steht jedoch die geringe Wärmeleitung von Kunststoffen entgegen. Durch die schlechte Mischwirkung der Schnecke in der Einzugszone wird das Material nur im Bereich der Zylinderwand effektiv erwärmt bzw. aufgeschmolzen. Das restliche Material bleibt relativ kalt. Hinzu kommt, daß bereits aufgeschmolzene Teile des Materials die Förderwirkung der Schnecke beeinträchtigen. Bei Erwärmung des Materials außerhalb der Maschine mit geeigneteren Methoden erreicht man eine gleichmäßigere Materialerwärmung. Bei Verwendung von Heißluft wird das Material an der gesamten Oberfläche erwärmt außerdem erreicht man falls erforderlich gleichzeitig eine Trocknung. Der Einsatz von Heißluft ermöglicht außerdem die Nutzung der Abwärme der Schneckenmaschine. Eine sehr effektive und gleichmäßige Art der Materialerwärmung kann durch die Einleitung energiereicher Strahlung erzielt werden. Durch Einsatz direkter Wärmeenergie bei Verwendung einer Gasheizung kann die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine noch günstiger gestaltet werden.

Die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine hat außerdem den Vorteil, daß die Schnecke verkürzt und Wärmekonvektion und Wärmeabstrahlung reduziert werden kann. Die Wärmeisolierung einer Trockenvorrichtung oder eines ähnlichen Geräts zur Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine kann unter geringerem Aufwand bewerkstelligt werden, da die auftretenden Temperaturen insgesamt niedriger und der Wärmestrom einfacher in einem Kreislauf geführt werden kann.

Bei rein thermischer Erwärmung der Kunststoffe bis zum Erweichungsbereich außerhalb einer Schneckenmaschine treten die mechanischen Beanspruchungen im weiteren Verlauf des Plastifizierprozesses erst bei höheren Temperaturen auf. Der resultierende mechanische Kettenabbau ist dabei geringer, d. h. das Kunststoffmaterial kann schonender plastifiziert werden. Dies ist besonders im Hinblick auf ein späteres Recycling von Bedeutung.

Ausführungsbeispiel

Das der Erfindung zugrunde liegende Verfahren eignet sich insbesondere zur Plastifizierung von Kunststoffen in Einschneckenmaschinen. Das Verfahrensprinzip läßt sich prinzipiell sowohl mit Extrudern als auch mit Spritzgießmaschinen realisieren. Besonders vorteilhaft für die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine eignet sich eine zweistufige Erwärmung mit Hilfe eines Trockners und eines Dosiergeräts (vgl. Fig. 1). Das Kunststoffmaterial wird zunächst in einen Granulattrockner 10 gegeben, um das Material mittels Heißluft auf eine Temperatur unterhalb des Erweichungsbereiches zu erwärmen. Insofern das Kunststoffmaterial getrocknet werden muß, wird als Wärmeträger Trockenluft eingesetzt und der Trocknungsvorgang in den Plastifizierprozeß integriert. Hierbei können größere Mengen Material erwärmt werden, da bei Störungen im weiteren Verarbeitungsverlauf, innerhalb oder nach der Schneckenmaschine, wegen den niedrigen Temperaturen keine Probleme hinsichtlich Materialschädigungen oder Angelieren des Materials zu erwarten sind. Der Wärmestrom wird von unten nach oben durch das Material geführt, so daß immer das Material mit der höchsten Temperatur zuerst weitergeleitet wird. Der Heißluftstrom wird im Kreislauf 12 geführt und auf einer konstanten Eintrittstemperatur gehalten. Der Trockner ist Bestandteil eines Dosiergeräts. Dadurch werden lange Transportwege des erwärmten Materials vermieden und Wärmeverluste auf ein Minimum reduziert. Vom Trockner wird das Material in Mischbehälter 16 dosiert, der direkt über dem Einfüllschacht der Schneckenmaschine angeordnet ist. In diesem Mischbehälter wird das Material in kleinen Mengen mittels der ebenfalls im Kreislauf geführten Heißluft 18 auf Erweichungstemperatur gebracht und anschließend in Spritzgießmaschine 24 oder Extruder 22 dosiert. Die Materialansaugung im Einzugsbereich 20 sorgt für einen sicheren Aufbau der Materialförderung in der Schneckenmaschine.

Claims

1. Verfahren zur Plastifizierung von Kunststoff-Granulat und vollständigen oder vorzerkleinerten Kunststoff-Formteilen und -Halbzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß in einem oder mehreren Erwärmungsschritten mit verschiedenen energiesparenden Erwärmungsmechanismen, unter Einbeziehung von eventuellen Aufbereitungs maßnahmen wie z. B. Trocknen, das Material vor der Schneckenplastifizierung, während und/oder vor dem Materialtransports in einen Extruder oder eine Spritzgießmaschine, erwärmt wird, um entweder nach Aufnahme in einer verkürzten Einzugszone unmittelbar durch Einleitung mechanischer Energie plastifiziert oder bei weniger verkürzter oder unverkürzter Einzugszone bei erhöhtem Massedurchsatz der Schneckenmaschine verarbeitet zu werden. Der Aufbau der Materialförderung innerhalb der Schneckenmaschine wird durch förderwirksame Maßnahmen im Einzugsbereich sichergestellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei bereits homogenisiert vorliegendem Material, wie z. B. bei sortenreinen Formteilen oder Produktionsabfällen, die durch einen ersten Verarbeitungsschritt eine homogene Materialzusammensetzung aufweisen, auf eine Homogenisierung durch die Schneckenplastifizierung und/oder ein Mahlen verzichtet werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine mittels Heißluft, energiereicher Strahlung oder einer anderen Art der Energieeinleitung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine in einer Trockenvorrichtung und/oder Dosiervorrichtung oder einer anderen Vorrichtung durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine durch die Abwärme von der Schneckenmaschine unterstützt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialerwärmung außerhalb der Schneckenmaschine durch Einleitung direkt erzeugter Wärmeenergie wie z. B. durch eine Gasheizung erreicht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kunststoffmaterial außerhalb der Schneckenmaschine lediglich bis unterhalb des Erweichungsbereichs erwärmt wird, um es anschließend mit einer Schneckenmaschine mit genuteter Einzugszone verarbeiten zu können.