DE19635706A1

DE19635706A1 - Verfahren zum Plastifizieren, Sieben, Dosieren und Fördern hochviskoser polymerer Schmelzen und Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19635706A1
Application number: DE19635706A
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof Dr Limper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1996-09-03
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2016-09-04
Also published as: DE19635706C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Plastifizieren, Sieben, Dosieren und Fördern hochviskoser polymerer Schmelzen, beispielsweise einer Kunststoff- und/oder Kautschukmischung, mittels einer Zahnradpumpe und einer Schneckenmaschine, und eine Einrichtung für die Durch führung des Verfahrens.

Die Verwendung von Zahnradpumpen bei der Verarbeitung hochviskoser Schmelzen ist bekannt. Hierbei weisen die Zahnradpumpen diverse Gestaltungen sowie konstruktive Lösungen bestimmter Detailprobleme auf (DE 41 30 312 C1, EP 0 508 285 A1, EP 0 559 582 A1, EP 0 595 764 A1). Auch die gleichzeitige Verwendung von Schneckenmaschinen und Zahnradpumpen ist bereits bekannt (EP 0 513 593 A2, EP 0 508 079 A2, EP 0 508 080 A2).

Die Verarbeitung hochviskoser Polymermaterialien, bei spielsweise Kautschuk oder Kunststoffcompounds, stellt den Verarbeiter vor besondere Probleme. Hierbei stellen vor allem chemisch reagierende Mischungen sehr hohe Anforderungen an die Extrusionseinheit. Um eine vor zeitige, unerwünschte Reaktion zu verhindern - z. B. die Vulkanisation bei Kautschukmischungen - sollte die Massetemperatur im Extruder möglichst niedrig gehalten werden. In das zu extrudierende Material dürfen daher nur geringe Schubspannungen eingebracht werden, um eine unzulässige Schererwärmung zu vermeiden. Die Friktions wärme - die der Schererwärmung entspricht - hängt dabei, neben anderen Parametern, wesentlich von der Gangtiefe der eingesetzten Extruderschnecke ab. Je geringer die Gangtiefe gewählt wird, um so stärker wird das Material beim Fördern im Extruder erwärmt. Andererseits sollte das zu extrudierende Material bei der Extrusion mög lichst gleichmäßig erwärmt werden, um eine problemlose und homogene Ausformung zu gewährleisten.

Bei Kautschukextrudern ergibt sich dabei ab einer bestimmten Extrudergröße ein Zielkonflikt, der mit konventionellen Maschinen nicht mehr gelöst werden kann. Zur Beherrschung der Massetemperaturen muß die Schnecke über eine große Gangtiefe verfügen. Der der Maschine zugeführte Kautschuk wird aber bei großen Gangtiefen nicht mehr homogen erwärmt, sondern es bildet sich eine nicht-isotherme Schichtenströmung im Schneckengang aus. Diese ist dadurch zu charakterisieren, daß ein hochvis koser "kalter Kern" sich im Zentrum des Schneckenkanals befindet, der von niedrigviskosem, heißen Material um lagert ist. Ursache für dieses Phänomen ist die soge nannte "Fließgrenze" vieler Kautschukmischungen. Dies bedeutet, unterhalb einer bestimmten Schubspannung kann das Material nicht mehr geschert werden und verhält sich wie ein elastischer Festkörper. Die Fließgrenze ist stark temperaturabhängig und vermindert sich mit steigendem Temperaturniveau.

Eine Lösung der vorgenannten Problematik besteht darin, Kautschukmischungen auf einem separaten Aggregat, nämlich einem Walzwerk, homogen vorzuwärmen und die vorgewärmte Mischung dann dem Extruder zuzuführen, einem sogenannten Warmfütterextruder.

Aus Kostengründen war man aber stets bestrebt, den Prozeß des Vorwärmens zu eliminieren. Es sind daher einige Spezialextruder entwickelt worden, die durch spezielle Elemente im Bereich des Zylinders - beispiels weise Mischstifte im Falle des Stiftextruders - oder Spezialschnecken, beispielsweise Transfermixextruder, die Aufgabe einer homogenen Materialerwärmung auch in einer großen "kaltgefütterten" Maschine lösen. Obwohl diese Extruder wesentlich preiswerter sind als eine entsprechende Walzwerk-Warmfütterextruder-Kombination, bleiben bis heute noch eine Vielzahl von Nachteilen, die es zu beseitigen gilt, und zwar:

- Die Förderung der Maschinen zeigt starke Schwankungen in Abhängigkeit des zugeführten Fütterstreifen. Dies macht entweder den Schritt einer separaten Streifen konfektionierung erforderlich oder äußert sich in ver hältnismäßig starken Maßschwankungen des Extrudates.
- Bei Stiftextrudern gestaltet sich der Schneckenein- und -ausbau als eine sehr zeitraubende Tätigkeit. Beim Abbrechen eines einzelnen Stiftes während des Ex truderbetriebes drohen starke Folgeschäden am gesamten Extruder.
- Spezialschnecken weisen in der Regel eine sehr kom plexe Kontur auf; sie müßten daher stets auf einen einzelnen Anwendungsfall hin optimiert werden und besitzen somit nur eine geringe Flexibilität. Durch die teilweise recht hohe Fließgrenze der Kautschuk mischungen verhalten sich die Maschinen nicht selbst reinigend, was zu langen Reinigungsintervallen bei Chargenwechseln führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Plastifizieren, Sieben, Dosieren und Fördern hoch viskoser polymerer Schmelzen und eine Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen die Nachteile der bekannten Verfahren bzw. die Nachteile der bekannten Einrichtungen nicht mehr auftreten können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe besteht bei einem Ver fahren der eingangs genannten Art darin,

- daß die Schmelze unplastifiziert der Zahnradpumpe zugeführt bzw. von dieser eingezogen wird,
- daß während der Förderung mittels der Zahnräder der Zahnradpumpe eine Plastifizierung der Schmelze erfolgt
- und daß sodann die Schmelze in einem anplastifizierten Zustand der Schneckenmaschine unmittelbar übergeben wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungs gemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich eine dahingehende Optimierung,

- daß eine gleichmäßige Plastifizierung des zu extru dierenden Materials erreicht wird, ohne örtliche thermische Inhomogenitäten zu erzeugen,
- und daß ein gleichmäßiger Druckaufbau der Extrusions einheit erreicht wird, so daß auch bei Schwankungen der Geometrie des Aufgabegutes der Massedurchsatz direkt am Ausformwerkzeug sich nur unwesentlich ändert.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage, hohe Extruderdurchsatzleistungen zu realisieren, ohne daß die Nachteile der bekannten Verfahren mit kaltgefütterten Extrudern auftreten können. Die in der Kautschuk industrie üblichen Fütterstreifen werden dabei direkt von einer Palette oder einem anderen geeigneten Behältnis, wie Gitterbox, Vorratskiste, Rolle o. dgl., durch die Zahnräder der Zahnradpumpe eingezogen. Da dies unter Formzwang geschieht, spielen - anders als bei den üblichen Extrudern - die Oberflächenbeschaffenheit des Streifens oder dessen Steifigkeit nur eine unter geordnete Rolle.

Die Erfindung basiert auf einem völlig neuartigen Ansatz. Erstmals werden die Eigenschaften der Zahnrad pumpe als Vor-Plastifizieraggregat genutzt und wird die Zahnradpumpe in diesem Sinne in den Verarbeitungsprozeß mit einbezogen. Anders als bei den bekannten Verfahren dient die Zahnradpumpe nicht als Dosierorgan einer vorplastifizierten Schmelze, sondern sie stellt den nachfolgenden Aggregaten einen gut vorplastifizierten Schmelzestrom zur Verfügung. Nachfolgende Schnecken maschinen können dabei tief geschnitten sein, d. h. es ist eine große Gangtiefe möglich, ohne daß dabei die Gefahr des bereits erwähnten "kalten Kerns" entsteht. Bei der Übergabe der Schmelze von der Zahnradpumpe ist außerdem eine problemlose Entgasung des Schmelze streifens möglich.

Die erfindungsgemäße Einrichtung besteht im wesentlichen darin, daß die Schneckenmaschine der Zahnradpumpe nach geschaltet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungs gemäßen Einrichtung sind in den Unteransprüchen 9 bis 15 beschrieben.

Im folgenden werden das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgeinäße Einrichtung anhand eines Aus führungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Einrichtung, die im wesentlichen aus einer Zahnradpumpe und einer Schneckenmaschine besteht;

Fig. 2 eine andere Einrichtung in Seitenansicht, in schematische Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung weist eine Zahn radpumpe 1 und einer Schneckenmaschine 2 auf, wobei die Schneckenmaschine 2 der Zahnradpumpe 1 nachgeschaltet ist. Die Schmelze 3 wird in Form von Schmelzestreifen 3S, beispielsweise Kautschukstreifen, zunächst der Zahn radpumpe 1 zugeführt bzw. von der Zahnradpumpe 1 ein gezogen. Mittels der Zahnräder 1Z der Zahnradpumpe 1 erfolgt während der Förderung eine Plastifizierung der Schmelze 3. Die aus der Zahnradpumpe 1 austretende Schmelze 3 wird in einem anplastifizierten Zustand der Schneckenmaschine 2 unmittelbar übergeben.

Am Auslaß 1A der Zahnradpumpe 1 ist ein Druckmesser 4 angeordnet, der während des Verfahrensablaufs den Druck unmittelbar am Auslaß 1A mißt. Die gemessenen Werte werden in nicht dargestellter Weise einer Regelvor richtung 5 zugeführt, die die Drehzahl der Zahnradpumpe 1 regelt. Es kann aber auch ein Druckmesser 4 an der Übergabestelle 6 zwischen der Zahnradpumpe 1 und der Schneckenmaschine 2 angeordnet sein, der während des Verfahrensablaufs den Druck an der Übergabestelle 6 mißt und die gemessenen Werte der Regelvorrichtung 5 zu leitet. Bei einer anderen Variante ist ein Druckmesser 4 in der ersten Zylinderzone 7 angeordnet, der während des Verfahrensablaufs den Druck in der Zylinderzone 7 mißt und die gemessenen Werte der Regelvorrichtung 5 zu leitet. Da die Drehzahl der Zahnradpumpe 1 mittels der Regelvorrichtung 5 in Abhängigkeit eines Drucksignals der Schneckenmaschine verändert wird, gewährleistet die Regelvorrichtung 5 einen konstanten Durchsatz der nach folgenden Schneckenmaschine, weil Fütterschwankungen mit einer kleinen Zeitkonstanten, verursacht durch etwa einen unregelmäßigen Schmelzestreifen, ausgeglichen werden. Damit verfügt der Verarbeiter über einen ein zusätzlichen Parameter zur Prozeßbeherrschung.

An der Einzugszone 2E der Schneckenmaschine 2 ist eine Absaugvorrichtung 8 vorgesehen. Die Einzugszone 2E ist derart ausgebildet, daß sie den Aufbau hoher Massedrücke erlaubt. Dies ist dadurch möglich, weil die Einzugszone 2E nicht so eine große Öffnung aufweist, wie sie üb licherweise in der Einzugszone von Kautschukextrudern vorhanden ist. Da im vorliegenden Fall die Schnecken maschine 2 mittels der Zahnradpumpe 1 gespeist wird, kann der die Schnecke umgebende Zylinder geschlossen werden, so daß die Einspeiseöffnung die einzige Öffnung in der Zylinderwand darstellt. Da die Zahnradpumpe 1 auch gegen hohe Drücke fördern kann, können mit der erfindungsgemäßen Einrichtung schon in der Einzugszone erhebliche Druckniveaus erreicht werden.

Um den korrekten Abzug des Schmelzestreifens 3S zu überwachen bzw. um einen etwaigen Abriß des Schmelze streifens 3S schnell zu erkennen, ist mindestens eine mit einem Gewicht 9 belastete Rolle 10 vorgesehen, die die Spannung überwacht, mit der der Schmelzestreifen 3S der Zahnradpumpe 1 zugeführt bzw. von dieser eingezogen wird.

Am Auslaß 1A der Zahnradpumpe 1 eine Lochplatte 11, ein Siebpaket o. dgl. für die Filterung der Schmelze 3 vorgesehen. Dies wird dadurch ermöglicht, daß die Schmelze 3 in der Zahnradpumpe 1 nur kurzfristig einer hohen Scherbeanspruchung unterworfen wird, weil - anders als in bekannten Extrudern - die absoluten Gangtiefen in der Zahnradpumpe 1 verhältnismäßig klein sind, so daß eine homogene Scherung über dem gesamten Querschnitt der Schmelze 3 erfolgt. Dadurch ist die Zahnradpumpe 1 in der Lage, verhältnismäßig hohe Drücke aufzubauen. Da die Temperaturerhöhung in der Zahnradpumpe 1 etwa 60 bis 80°C beträgt, wird die Schmelze 3 dabei bei einer Tem peratur von 80 bis 100°C - ausgehend von einer Raum temperatur von 25°C - gefiltert. In der Praxis der Filterung mit Hilfe von Extrudern sind heute Masse temperaturen im Bereich von 120 bis 150°C unvermeidbar. Die erfindungsgemäße Einrichtung zeigt somit einen Weg, die Schmelze 3 wesentlich kühler zu sieben. Durch die Extrusion der Schmelze 3 durch die Lochplatte 11 bzw. ein Siebpaket ist die Schmelze 3 aber auch homogen vorgewärmt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hinter der Zahnradpumpe 1 weitere Zahnradpumpen 1.1, 1.2, . . ., 1.n vorgesehen. Erst im Anschluß an die letzte Zahnradpumpe 1.n folgt die Schneckenmaschine 2. Durch diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Einrichtung können größere Temperaturerhöhungen als mit einer ein zelnen Zahnradpumpe 1 erzielt werden. Jede Zahnradpumpe 1.1, 1.2, . . ., 1.n stellt außerdem einen Dämpfer für Fütterschwankungen dar, so daß am Auslaß der letzten Zahnradpumpe 1.n ein Strom der Schmelze 3 von hoher Gleichmäßigkeit erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zum Plastifizieren, Sieben, Dosieren und Fördern hochviskoser polymerer Schmelzen (3), bei spielsweise einer Kunststoff- und/oder Kautschuk mischung, mittels einer Zahnradpumpe (1) und einer Schneckenmaschine (2), dadurch gekennzeichnet,

1.1 daß die Schmelze (3) unplastifiziert der Zahn radpumpe (1) zugeführt bzw. von dieser ein gezogen wird,
1.2 daß während der Förderung mittels der Zahnräder (1Z) der Zahnradpumpe (1) eine Plastifizierung der Schmelze (3) erfolgt
1.3 und daß sodann die Schmelze (3) in einem an plastifizierten Zustand der Schneckenmaschine (2) unmittelbar übergeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensablaufs eine Regelung der Drehzahl der Zahnradpumpe (1) entsprechend dem Druck unmittelbar am Auslaß (1A) der Zahnradpumpe (1) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensablaufs eine Regelung der Drehzahl der Zahnradpumpe (1) entsprechend dem Druck an der Übergabestelle (6) zwischen der Zahnradpumpe (1) und der Schneckenmaschine (2) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrensablaufs eine Regelung der Drehzahl der Zahnradpumpe (1) entsprechend dem Druck in der ersten Zylinderzone (7) erfolgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einzugszone (2E) der Schneckenmaschine (2) eine Absaugung flüchtiger Bestandteile der Schmelze (3) mittels einer Absaug vorrichtung (8) erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaß (1A) der Zahnradpumpe (1) eine Filterung der Schmelze (3) mittels einer dort vorgesehenen Lochplatte (11) und/oder eines Siebpaketes erfolgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze (3) im Anschluß an die Förderung durch die Zahnradpumpe (1) durch mindestens eine weitere Zahnradpumpe (1.1, 1.2, . . ., 1.n) geleitet und dort plastifiziert wird und daß erst danach die Übergabe der Schmelze (3) an die Schneckenmaschine (2) erfolgt.

8. Einrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckenmaschine (2) der Zahnradpumpe (1) nachgeschaltet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaß (1.A) der Zahnradpumpe (1) ein Druck messer (4) vorgesehen ist, der während des Ver fahrensablaufs den Druck unmittelbar am Auslaß (1A) der Zahnradpumpe (1) mißt und der die gemessenen Werte einer Regelvorrichtung (5) zuleitet, die die Drehzahl der Zahnradpumpe (1) regelt.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Übergabestelle (6) zwischen der Zahnrad pumpe (1) und der Schneckenmaschine (2) ein Druck messer (4) vorgesehen ist, der während des Ver fahrensablaufs den Druck unmittelbar an der Über gabestelle (6) zwischen der Zahnradpumpe (1) und der Schneckenmaschine (2) mißt und der die gemessenen Werte einer Regelvorrichtung (5) zuleitet, die die Drehzahl der Zahnradpumpe (1) regelt.

11. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Zylinderzone (7) ein Druckmesser (4) vorgesehen ist, der während des Verfahrens ablaufs den Druck in der ersten Zylinderzone (7) mißt und der die gemessenen Werte einer Regel vorrichtung (5) zuleitet, die die Drehzahl der Zahn radpumpe (1) regelt.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der Einzugszone (2E) der Schneckenmaschine (2) eine Absaugvorrichtung (8) zum Absaugen flüchtiger Bestandteile der Schmelze (3) vorgesehen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzugszone (2E) der Schneckenmaschine (2) derart ausgebildet ist, daß sie den Aufbau hoher Massedrücke erlaubt.

14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß am Auslaß (1A) der Zahnradpumpe (1) eine Lochplatte (11) und/oder ein Siebpaket für die Filterung der Schmelze (3) vor gesehen ist.

15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Auslaß (1A) der Zahnradpumpe (1) mindestens eine weitere Zahn radpumpe (1.1, 1.2, . . ., 1.n) anschließt und daß erst im Anschluß an die letzte Zahnradpumpe (1.n) die Schneckenmaschine (2) folgt.