DE19607663A1 - Compoundiermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schneckenmaschine zum Einfärben, Entgasen und Homogenisieren von viskosen Massen, insbesondere thermoplastischen Schmelzen und hochmolekularen Polymeren, mit einem feststehendem Gehäuse, in dessen Achse in einem festste­ hendem Kranz mit engem Spiel zueinander angeordnete Fördermisch­ wellen gleichsinnig drehend, achsparallel und ineinandergreifend sich mit ihren Oberflächen gegenseitig und das sie mit engem Spiel umgebenden Gehäuse bzw. das von ihnen umhüllte Gehäuse mit ihren Kämmen zwangsläufig abschaben.

Derartige Maschinen sind inzwischen bekannt geworden, als soge­ nannte Dünnschichtreaktoren, welche mit einem Polymer in Schmel­ zeform unter Druck beschickt werden, sei es von einer kontinu­ ierlichen Polykondensation, oder von einer Aufschmelzmaschine, um im Verarbeitungsgut längere Verweilzeiten und dünne Schichten in Anwesenheit von Vakuum zu erzielen.

In DE 30 30 541, DE 35 13 536, bzw. DE 35 20 662 sind derartige kontinuierliche Reaktoren bzw. deren Wellendichtungssysteme be­ schrieben, welche den gemeinsamen Nachteil aufweisen, daß mit sehr hohem wirtschaftlichem Aufwand die Dichtheit nach außen, dieser unter Vakuumeinwirkung stehenden Schneckenwellen an ihren Dichtstellen erzielt wird, wobei durch die Vielzahl dieser Dich­ tungen es nicht vermieden werden kann, daß die eine oder andere Dichtung unvorhersehbar undicht wird, was zur Folge hat, daß lange Stillstandszeiten für die Reparatur dieser sehr aufwendi­ gen Maschinen erforderlich sind.

Diese aufgeführten Nachteile zu vermeiden, hat sich die in der DE 40 01 986 zitierte Ausführungsform einer derartigen Maschine zur Aufgabe gestellt. Obwohl diese Vorrichtung nicht zur Gattung nach dem Oberbegriff der hier vorliegenden Erfindung gehört, sei angeführt, daß diese, entgegen der dort zitierten Auffas­ sung, durch die neue Antriebsart sei keinerlei Beeinträchtigung der Funktion dieser weiter oben zitierten Dünnschichtreaktoren gegeben, unzutreffend ist.

In der Praxis hat sich herausgestellt, daß Zahnräder in einem Planetentrieb, welche mit Schmelze beaufschlagt werden, den Produktstrom so aufteilen, daß dieser je hälftig zum Außen- und Innenkranz der Schneckenwellen gelangt mit der Folge, daß die angestrebte und für das Verfahren sehr wichtige und unver­ zichtbare Dünnschicht gänzlich verloren geht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine, für die Durch­ führung des Verfahrens sehr wichtige Dünnschicht, am vakuumbe­ aufschlagten Außenkranz dadurch zu erzeugen, daß das Verarbei­ tungsgut über das Innengehäuse dem inneren Wellenkranz der Schneckenwellen zugeführt wird und daß an den Wellen teuere und anfällige Dichtungssysteme vermieden werden, ohne daß die Schmelze den nachteiligen Zahnraddurchlauf erleiden muß.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Verarbeitungs­ gut über das innere Gehäuse dem inneren Kranz der Schnecken zugeführt wird und der äußere Kranz der Schnecken, der Raum zwischen dem Verfahrensteil und dem Verteilergetriebe sowie das Verteilergetriebe mit Vakuum beaufschlagt sind.

Bei dieser Vorrichtung wird das Verarbeitungsgut somit von den sich im Zwickelbereich mit doppelter Umfangsgeschwindigkeit bewegenden Schneckenwellen und deren Arbeitselementen sehr in­ tensiv gemischt, dabei immer wieder zu dünnen Schichten großer Oberfläche am Außenkranz und der sie mit engem Spiel umgebenden äußeren Gehäuseinnenwandung ausgebreitet, wobei diese "Dünn­ schicht" ihrerseits wiederum dauernd mit der am Innenkranz vor­ handenen "Dickschicht" vereinigt und vermischt wird, so daß eine für den Gasaustausch sehr wirksame und damit unverzicht­ bare Oberflächenerneuerung stattfindet.

Der für die Dünnschichtbildung am Außenkranz erforderliche Mate­ rialzulauf zum Innenkranz wird mit einfachen Mitteln dadurch erreicht, daß der axiale Materialaustrittskanal jeder Schnecken­ welle, in einem ringförmigen Schmelzekanal mündet, dessen Quer­ schnitt sich von Welle zu Welle vergrößert und an der Stelle des größten Querschnitts axial oder radial nach außen weiterge­ führt wird, so daß es möglich ist, den Materialzulauf innerhalb dieses Schmelzekanals vorzusehen.

Vorteilhafterweise ist es deshalb auch möglich, die mit Stab­ heizkörpern ausgeführte, unverzichtbare Beheizung des Innenge­ häuses, dort einzuführen und deren Stromleiter und Thermoele­ mentleitungen herauszuführen, so daß etwa 60% der Schnecken­ wellenoberfläche von zwei beheizten, sie mit engem Spiel umhül­ lenden, wannenförmigen Gehäuseflächen umgeben und damit tempe­ rierbar sind.

Für Anwendungsfälle, bei denen eine längere Verweilzeit im Verarbeitungsgut erforderlich ist, kann, neben der Ausführung mit überlangen Schnecken, auch beispielsweise zwischen zwei Entgasungsöffnungen, das Schneckenprofil einer Schnecke in die­ sem Bereich bis auf den Kerndurchmesser reduziert sein und das diese Welle umgebende Gehäuse mit engem Spiel bis auf diesen Durchmesser herangeführt werden, so daß das Verarbeitungsgut auf dieser Strecke vom Innenkranz auf den Außenkranz bzw. umge­ kehrt übergeben wird und damit den doppelten Weg zurückzulegen hat.

Ausgehend davon, daß die Entgasungsleistung der Dünnschicht vom Verarbeitungsgut und dessen Viskosität abhängig ist, kann es deshalb zweckmäßig sein, die Dicke der Dünnschicht in Abhängig­ keit von der Entgasungsfreudigkeit des Verarbeitungsgutes von Außen einstellen zu können, indem der Innenkranz mit mehr Bear­ beitungsgut beaufschlagt wird, als seinem Fördervermögen ent­ spricht, so daß der Außenkranz die überschüssige Materialmenge aufnehmen muß und die Materialschicht deshalb dicker wird.

Auch hat sich gezeigt, daß das Außengehäuse auf der ganzen Länge der Entgasungsöffnung beabstandet zu den Schneckenwellen ausge­ führt werden kann, so daß damit schnellere Farb- und/oder Mate­ rialwechsel erfolgen können.

Die Vakuumdichtheit des Zwischenraumes zwischen Verfahrensteil und Verteilergetriebe läßt sich sehr einfach durch einen mit O-Ringen versehenen, verschiebbaren Ring erzielen, so daß die Stiftschrauben der Wellenkupplungen an dieser Stelle leicht zu­ gänglich sind, falls ein Schneckenwechsel erforderlich wird.

Da die einzelnen Gehäuseplatten des Verteilergetriebes vorteil­ haft rund ausgebildet sind, ist es damit sehr kostensparend, an diesen Stirnflächen ebenfalls O-Ringe anzuordnen, so daß die Vakuumdichtheit des Verteilergetriebes mit sehr einfachen Mitteln zu erreichen ist.

Da die zugeführte Schmelze bis zur Zuführbohrung unter Druck steht und in einen mit Vakuum beaufschlagten Raum entspannt wird, kann es zu einer Flashverdampfung kommen verbunden mit enormer Schaumbildung, d. h. die Schmelze nimmt ein wesentlich größeres Volumen ein, als in der Zuführbohrung vor der Entspannung.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Schmelze stromaufwärts eines Fließwiderstandes in Form einer an den Schnecken wirksamen Drossel zuzuführen, so daß eine Unterteilung der Entgasungskam­ mer erreicht wird mit dem Vorteil, daß die Schmelze sich nur stromaufwärts entspannen kann.

Da die Schmelze am Innenkranz der Schnecken zugeführt wird, kann durch das enge Spiel der Schnecken bedingt, der entstehende Schaum nicht zum Außenkranz gelangen, so daß er durch die Schneckengänge des Innenkranzes mechanisch zerstört wird und die freiwerdenden Gase, welche die Hauptmenge der zu entfernenden Gase darstellt, nur stromaufwärts entweichen können zu einer eigenen, mit Vakuum beaufschlagten Entgasungsöffnung, also eine sehr betriebssichere Rückwärtsentgasung möglich ist.

Der Fließwiderstand an den Schnecken stromabwärts der Schmelze­ zugabestelle hat zunächst die Aufgabe, einen gewissen Druck aufzubauen, so daß die Rückwärtsentgasung von der Feinentgasung druckmäßig getrennt ist und soll gleichzeitig sicherstellen, daß das Verarbeitungsgut im Hauptstrom die nachfolgende Entga­ sungskammer nur über den Innenkranz der Schnecken erreichen kann, so daß am Außenkranz sich wieder eine Dünnschicht bildet, deren Vorteile schon weiter oben beschrieben wurden.

Dieser Fließwiderstand in Form einer Drossel wird dadurch gebil­ det, daß eine aus Segmenten bestehende Scheibe, deren Anzahl vorzugsweise den Schneckenwellen entspricht und deren Dicke mit engem Spiel zu den zylindrischen, ringförmigen Aussparungen der Schnecken gefertigt ist, diesen Widerstand aufbaut.

Die inneren Halbkreisbohrungen dieser Scheibe reichen mit engem Spiel bis zum Kerndurchmesser der Schnecken, so daß das Verar­ beitungsgut nur zum Innenkranz der folgenden Schnecken gelangen kann. Aus Montagegründen ist die Drossel segmentförmig geteilt, so daß sie, nachdem die Schnecken eingeschobenen sind, radial von außen eingeführt werden können, zumal das Gehäuse an dieser Stelle längsgeteilt ist und zur besseren Handhabung von einer Ringscheibe zusammengehalten werden, welche mittels der Gehäu­ sepaßstifte lagezentriert wird.

Die enorme Längsmischwirkung der Vielwellenschnecke, beispiels­ weise ausgehend von 8 Schnecken mit 2gängigem Schneckenprofil läßt sich damit erklären, daß der wirksame Außenkranz der Schnecken bei einer Kranzumdrehung, also zwei Wellenumdrehungen, 6 Schneckengänge zurücklegt, dagegen der Innenkranz nur 2 Gänge, so daß sich der Außenkranz mit doppelter Axialgeschwindigkeit gegenüber dem Innenkranz bewegt und deshalb im Zwickelbereich der Schnecken, sich 6 Außengänge mit 2 Innengängen vermischen.

Die Erfindung ist in Zeichnungen dargestellt, es zeigen:

Fig. 1 die rechte Längsschnitthälfte des Gegenstandes der Erfindung,

Fig. 2 die linke Hälfte vom Längsschnitt des Erfindungsgegen­ standes,

Fig. 3 entsprechend der Linie I-I der Fig. 1 den Querschnitt durch die Drosselstelle,

Fig. 4 nach der Linie II-II der Fig. 2 den Querschnitt durch die Entgasungsöffnung.

In Fig. 1 ist die rechte Hälfte des Erfindungsgegenstandes darge­ stellt. Mit 1 ist nur der abtriebseitige Verteilergetriebeteil gezeigt, dessen Vakuumdichtheit mit den O-Ringen 1a zwischen den Gehäuseteilen und einer nicht dargestellten, leicht zugäng­ lichen und damit leicht austauschbaren Gleitringdichtung an der Eintriebswelle erreicht wird. Ein eigener Vakuumanschluß ist am Verteilergetriebe vorgesehen.

Die vakuumdichte Verbindung 2 vom Verteilergetriebe zum Verfah­ rensteil der Maschine, wird mit einem verschiebbaren Ring 2a, welcher den O-Ring 2b zum Verteilergetriebe und den O-Ring 2c zum Verfahrensteil beinhaltet, hergestellt und mit den Schrauben 2d am Verfahrensteil befestigt. Auch hier ist ein eigener Vaku­ umanschluß 2e vorgesehen.

Die Kupplungen 3 mit ihren radial angebrachten Stiftschrauben 3a zwischen den Ritzelwellen 1e und den Schneckenwellen 7c sind dann zugänglich, wenn der verschiebbare Ring 2a zum Getriebe hin verschoben wurde. Die Stiftschrauben 3a drücken mit ihren koni­ schen Enden in je eine konische Ringnut der Wellen so ein, daß sie beide axial zueinander verspannen.

Am Kupplungsaußenumfang sind beidseitig endseitig, wenigstens je zwei Nuten zur Aufnahme von Labyrinthringen eingebracht.

Das Verfahrensteil ist mit dem Verteilergetriebe, unabhängig vom verschiebbaren Ring, mit den Schrauben 2f auf denen Distanz­ büchsen 2g sitzen, axial verschraubt und über die Stifte 2h lagefixiert.

Die Entgasungsöffnung 4 für die Rückwärtsentgasung erstreckt sich 360° um die Schnecken und ist an drei Seiten mit einem beheizbaren Schauglas 4a verschlossen und senkrecht nach unten ist der Gasabzug 4b angebracht.

Im Achszentrum des inneren Gehäuses 5 führt vom auslaufseitigen Ende der Maschine her die Materialzulaufbohrung 5a stromauf­ wärts der Drossel 6 und mündet in der radialen Stichbohrung 5b zur Beschickung des Innenkranzes 7a der Schnecken 7. Die Behei­ zung vom inneren Gehäuse 5 erfolgt durch die Stabheizkörper 5c, welche achssymmetrisch um die Schmelzezulaufbohrung 5a angeord­ net sind.

Die Drossel in Form einer Stauscheibe 6 besteht aus den Seg­ mentteilen 6a, welche zwecks besserer Handhabung, von einer Ringscheibe 6b umschlossen und über die Schrauben 6c zwischen den Gehäuseflanschen axial verschraubt und durch die Stifte 6d lagefixiert ist.

In Fig. 2 ist die linke Hälfte des Erfindungsgegenstandes im Längsschnitt dargestellt. Mit 8 ist das die Schnecken 7 mit engem Spiel umschließende Gehäuse bezeichnet, welches von den Außenheizungen 8a beheizt und mit v-förmig gewickelten Flach­ dichtungen 8b gegenüber den Anschlußteilen abgedichtet wird. Die axiale Verspannung der Teile zueinander erfolgt mit den Schrauben 8c und deren Lagefixierung mit den Paßstiften 8d.

Die Entgasungsöffnung 9 wird von dem Gehäuse 9a gebildet und ist damit völlig unabhängig von den Gehäusen 8, so daß je nach Aufgabenstellung, auch mehrere Entgasungsöffnungen entlang einer Entgasungsstrecke angeordnet sein können. Die beheizba­ ren Schaugläser 9b vermeiden Kondensatbildung und die Gase verlassen über den Gasabzug 9c den Verfahrensraum.

Das Verarbeitungsgut verläßt im Austragsteil 10 über die Schneckenspitzen 7d und den Kanälen 10a den Verfahrensraum und mündet in einem ringförmigen Schmelzekanal 10b, dessen Quer­ schnitt sich von Schnecke zu Schnecke erweitert. An der Stelle des größten Querschnitts führt die Schmelzeleitung 10c, entwe­ der in Achsrichtung weiter oder radial nach außen zur nicht dargestellten Strangdüse bzw. einer nachgeschalteten Folgema­ schine.

Achsmittig zum ringförmigen Schmelzekanal 10b ist somit genü­ gend Platz gewonnen, um in dessen Achse den Schmelzezuführkanal 5a bzw. die symmetrisch um diesen angeordneten Stabheizkörper 5c unterzubringen und deren Stromzuführungs- und Thermoelementlei­ tungen 5d herauszuführen.

Die Schnecken sind vorzugsweise massiv aus einem Stück gefer­ tigt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Für bestimmte Anwendungen jedoch kann es zweckmäßig sein, diese zusammengesetzt herzustel­ len (Fig. 4). In diesem Falle ist es vorteilhaft, als innere Wellen, gehämmerte Vielkeilwellen zu benutzen, zumal deren Festigkeit durch den Hämmervorgang wesentlich größer ist, außerdem sind diese Wellen als Meterware erhältlich. Die Schneckenbüchsen bzw. Bearbeitungselemente sind dann aufgescho­ ben und endseitig mit geschraubten Schneckenspitzen verschlos­ sen.

Claims (10)

1. Compoundiermaschine zum Einfärben, Entgasen und Homogenisie­ ren von viskosen Massen, insbesondere thermoplastischen Schmelzen und hochmolekularen Polymeren, mit einem festste­ hendem Gehäuse, in dessen Achse in einem feststehendem Kranz mit engem Spiel zueinander, angeordnete Fördermischwellen gleichsinnig drehend, achsparallel und ineinandergreifend sich gegenseitig mit ihren Oberflächen und die sie mit engem Spiel umgebenden Gehäuse mit ihren Kämmen abschaben dadurch gekennzeichnet, daß das Verarbeitungsgut über das innere Gehäuse dem inneren Kranz der Fördermischwellen zugeführt wird und deren äußerer Kranz, sowie der Raum zwischen dem Verfahrensteil und dem Verteilergetriebe und das Verteiler­ getriebe mit Vakuum beaufschlagt sind.

2. Compoundiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Materialaustritt aus den einzelnen Fördermisch­ wellen in deren Achse über Bohrungen erfolgt, welche in einem ringförmigen Kanal münden, dessen Querschnitt sich von Welle zu Welle vergrößert und am größten Querschnitt weitergeführt wird, wobei der Materialeintritt innerhalb dieses ringförmigen Kanals erfolgt.

3. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Zentralbereich des Wellenkranzes vom aus­ trittseitigen Ende des inneren, feststehenden Gehäuses her, zugängliche Stabheizkörper um den Materialeintritt symmetrisch angeordnet sind, deren Stromleiter und Thermoelementleitungen aus dem Innengehäuse herausgeführt sind.

4. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einstellung der Dünnschichtdicke am Außen­ kranz der Fördermischwellen, deren Innenkranz mit entspre­ chend mehr Produkt beaufschlagt wird, als seinem Förderver­ mögen entspricht.

5. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Entgasungsöffnung auf der ganzen Länge der Entgasungsstrecke zu den Fördermischwellen beabstandet ausge­ bildet ist.

6. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die radiale Zuführleitung des Verarbeitungsgutes zum Innenkranz der Fördermischwellen stromaufwärts einer Drossel angeordnet und eine Entgasungsöffnung weiter stromaufwärts am Außenkranz der Fördermischwellen wirksam ist.

7. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drossel als eine aus Segmenten bestehende Scheibe ausgebildet ist, deren Innendurchmesser bis wenig­ stens zu der Achsmitte der Fördermischwellen reicht und deren Kerndurchmesser mit engem Spiel umgeben, wobei die Segmente von einer sie umfassenden Ringscheibe gehalten werden, welche an den Paßstiften der Außengehäuse lagefi­ xiert wird.

8. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zwischenraum zwischen Verfahrensteil und verteilergetriebe von einem verschiebbaren Ring über je einen O-Ring vakuumdicht verschlossen und dieser am Verfah­ rensteil verschraubt ist, so daß die Stiftschrauben an den mischerwellenseitigen Kupplungshälften zugänglich sind.

9. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beidseitig endseitig an den Kupplungsumfangs­ flächen wenigstens zwei Labyrinthringeinheiten angeordnet sind.

10. Compoundiermaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Misch- und Entgasungsbereich das Schnecken­ profil einer Fördermischwelle auf den Kerndurchmesser redu­ ziert ist und das Gehäuse in diesem Bereich mit engem Spiel zu diesem Durchmesser ausgebildet ist.