DE19741674A1 - Mischer insbesondere für viskoelastische Materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mischer insbesondere für viskoelastische Materialien, mit einem Verarbeitungska­ nal, der an seinem Ende eine verschließbare Austrittsöff­ nung aufweist und entlang dem die Materialien unter gleichzeitiger Durchmischung mittels einer Fördervorrich­ tung förderbar sind, und mit einem Rückförderkanal, der nahe dem Austrittsende des Verarbeitungskanals abzweigt und stromauf wieder in diesen mündet, wobei die Material­ mischung bei geschlossener Austrittsöffnung durch den Verarbeitungskanal und den Rückförderkanal zirkulierbar ist.

Ein derartiger Mischer kann bei entsprechender, an sich bekannter Ausgestaltung der Austrittsöffnung auch als Extruder dienen, der durch den hier verwendeten Begriff "Mischer" ausdrücklich mit umfaßt sein soll.

Extruder weisen in der Regel einen langgestreckten Verar­ beitungskanal auf, in dem eine oder mehrere Förder­ schnecken angeordnet sind. In den Verarbeitungskanal werden nach Art und Menge unterschiedliche Mischungskom­ ponenten, insbesondere hochmolekulare viskoelastische Materialien, beispielsweise Polymere oder Elastomere, durch einen Einfüllschacht hindurch eingebracht. Die Mischungskomponenten werden in dem Verarbeitungskanal mittels der Förderschnecken mechanischen Deformations­ kräften ausgesetzt, wodurch sie zu einer möglichst homo­ genen viskoelastischen Masse umgeformt bzw. geknetet werden. Das Verarbeitungs- bzw. Fließverhalten von hoch­ molekularen Stoffen wie Polymerschmelzen oder Elastomeren ist durch eine Kombination ihrer viskosen und elastischen Eigenschaften bestimmt, wobei unter anderem die Art und die Anteile der Mischungskomponenten und auch die Güte des Verteilungsgrades aller Komponenten einen wesentli­ chen Einfluß haben. Die Mischungskomponenten können Polymere unterschiedlicher Molekularstruktur sein oder sie umfassen pulverförmige Füllstoffe mit unterschiedli­ chen Partikelgrößen in unterschiedlicher Partikelgrößen­ verteilung. Beim Durchmischen oder Kneten verschiedenar­ tiger Komponenten läßt sich nicht oder nur schwer vorher­ sagen, wie sich die viskosen oder elastischen Eigenschaf­ ten der Mischung beim Misch- oder Knetvorgang verändern werden. Dabei ist auch keine gesicherte Vorhersage mög­ lich, inwieweit sich die Verarbeitungseigenschaften der Mischung durch den Mischvorgang beispielsweise infolge Degradation verändern werden oder welche Nutzungseigen­ schaften die Mischung letztendlich aufweisen wird. Es ist somit von Interesse, sowohl die viskosen als auch die elastischen Eigenschaften einer Mischung schon während des Mischvorganges in Abhängigkeit von den Verarbeitungs­ bedingungen und der Mischzeit verfolgen zu können.

Diese rheologischen Größen (vorrangig die Viskosität) lassen sich bei bekannten Mischern beispielsweise dadurch bestimmen, daß bei Vorgabe einer konstanten Drehzahl der Förderschnecke der zeitliche Verlauf des Widerstandes erfaßt wird, den die in der Mischkammer befindliche Masse den Schnecken entgegensetzt, indem die erforderliche Leistung (Drehmoment) des Antriebsmotors gemessen wird. Da sich jedoch in der Mischkammer keine laminare Schich­ tenströmung ausbilden kann, wie sie für Absolut-Viskosi­ tätsmessungen in Rheometern gefordert wird, besitzt der aus dem Drehmoment der Antriebsvorrichtung bestimmte Viskositätswert nur einen relativen Charakter, zumal die teilweise sehr komplexe Strömungsgeometrie im Mischer und die sonstigen Mischerparameter einen wesentlichen Einfluß auf die Größe dieses Kennwerts haben.

In nicht zufriedenstellendem Maße wird zur Zeit der Bereich der rheologischen Absolutmessung während des Mischvorganges abgedeckt. Hierbei sind insbesondere die sich ändernden Materialeigenschaften während des Mischens (Compoundierens) von Interesse. Eine gute Durchmischung der Materialkomponenten bedingt, diese möglichst lange turbulent zu mischen bzw. zu verwirbeln. Dies kann entwe­ der dadurch erreicht werden, daß die Komponenten entlang eines relativ langen Verarbeitungskanals gefördert wer­ den, alternativ sind auch sogenannte rückfördernde Mi­ scher oder Mischextruder bekannt, bei denen die am Ende des Verarbeitungskanals befindende Austrittsöffnung verschließbar ist, so daß das Material über einen nahe dem Austrittsende des Verarbeitungskanals abzweigenden Rückförderkanal zurückgefördert und stromauf wieder in den Verarbeitungskanal eingebracht werden kann. Durch das damit zu erzielende Zirkulieren der Materialmischung durch den Verarbeitungskanal und den Rückförderkanal kann trotz einer kurzen Bauform des Mischers oder Extruders ein langer und somit intensiver Mischprozeß erzielt werden.

Zur Bestimmung der rheologischen Größen der Mischung ist es bei bekannten Mischern und Extrudern üblich, diesen eine Rheometervorrichtung nachzuschalten oder aus der aktuell erzeugten Mischung einen Anteil abzuzweigen, einem Rheometer zuzuführen und gegebenenfalls wieder in den Hauptstrom zurückzuführen. Im ersten Fall ist eine Bestimmung der rheologischen Größen nur am Ende des Mischvorganges oder bei dessen Unterbrechung möglich. Beim Abzweigen einer Probenmenge tritt das Problem auf, daß die zwischen dem Abzweigen der Probenmenge und der eigentlichen Messung liegende Zeitspanne möglichst kurz sein muß. Dies führt dazu, daß in dem abzweigenden Kanal, in dem die Probenmenge der Meßvorrichtung zugeführt wird, spezielle Förderpumpen angeordnet sind, wodurch der konstruktive Aufwand hoch und kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischer der genannten Art zu schaffen, bei dem die rheologischen Größen der Mischung während des Mischvorganges zuverlässig erfaßbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Rückförderkanal als Meßstrecke zur Erfassung von rheologischen Kenngrößen ausgebildet ist, was vorzugswei­ se dadurch erfolgt, daß im Rückförderkanal eine Drucksen­ sorvorrichtung angeordnet ist, mittels der der Druck in der geförderten Materialmischung in zumindest zwei von­ einander beabstandeten Querschnitten des Rückförderkanals erfaßbar ist.

Die Erfindung geht von der Grundüberlegung aus, einen rückfördernden Mischer oder Extruder so umzugestalten, daß während des eigentlichen Mischvorganges eine Bestim­ mung der rheologischen Kenngrößen inkrementell oder kontinuierlich möglich ist. Zu diesem Zweck wird der Rückförderkanal als geometrisch definierte Kapillare oder Kanal ausgeführt und für die rheologischen Messungen benutzt. Dabei wird in einer Ausgestaltungsmöglichkeit in dem Rückförderkanal zumindest die Druckdifferenz zwischen zwei Punkten bekannten Abstandes ermittelt, um die Schub­ spannung in der Mischung berechnen zu können. Vorzugswei­ se ist im Rückförderkanal auch zumindest ein Temperatur­ sensor angeordnet, mittels dessen die Temperatur der geförderten Mischung erfaßt wird.

Um die Schergeschwindigkeit der Mischung berechnen zu können, muß der Volumendurchsatz durch den Rückförderka­ nal, dessen Querschnitt bekannt ist, bestimmt werden. Dies ist in besonders einfacher Weise möglich, wenn die Materialien in dem Verarbeitungskanal einer Zwangsförde­ rung, d. h. einer in vorbestimmte Richtung erfolgenden Förderung, unterliegen, so daß der Volumendurchsatz durch den Rückförderkanal eine eindeutige Funktion der Drehzahl der Fördereinrichtung ist. Eine derartige Zwangsförderung ist insbesondere möglich, wenn die Fördervorrichtung in dem Verarbeitungskanal zumindest eine Förderschnecke und vorzugsweise zwei kämmende, gegenläufige Förderschnecken aufweist, die konisch oder parallel ausgerichtet sein können. Es hat sich gezeigt, daß ähnliche Ergebnisse sich auch mit zwei kämmenden, gleichläufigen konischen Förder­ schnecken erzielen lassen. Bei bekanntem Querschnittsver­ lauf des Rückförderkanals, der bevorzugt zumindest be­ reichsweise insbesondere zwischen den Meßquerschnitten gleichbleibend sein sollte, ist es möglich, aus dem Volumendurchsatz der Mischung die Schergeschwindigkeit zu ermitteln.

Statt die rheologischen Kenngrößen aus der Druckdiffe­ renz, dem Volumendurchsatz und der Kanalgeometrie zu ermitteln, können in dem Rückförderkanal auch andere Meßmethoden angewandt werden. Beispielsweise ist es möglich, in oder an der Wandoberfläche des Rückförderka­ nals kleine Sensoren anzuordnen, die direkt die Schub­ spannung in der an ihnen vorbeiströmenden Materialmi­ schung erfassen. Alternativ ist es möglich, mittels einer Ultraschallvorrichtung das Geschwindigkeitsprofil oder das Differenzgeschwindigkeitsprofil der im Rückförder­ kanal strömenden Materialmischung zu erfassen und daraus die Schergeschwindigkeit zu errechnen. Derartige und weitere Meßmethoden sind in der Rheologie an sich be­ kannt.

Während des Misch- bzw. Verarbeitungsprozesses wird das Material zyklisch kontinuierlich durch den Verarbeitungs­ kanal und den Rückförderkanal zirkuliert und dabei jedes­ mal bei Durchströmen des Rückförderkanals rheologisch vermessen. Auf diese Weise ist mit dem erfindungsgemäßen Mischer oder Extruder eine rheologische In-line-Messung möglich, bei der das gleiche Material immer wieder unter­ sucht wird. Aufgrund der Ausbildung als rückfördernder Mischer sind auch sehr kleine Bauformen möglich, mit der sich auch das rheologische Verarbeitungsverhalten von sehr kleinen Probenmengen, beispielsweise ab 5 g zuverläs­ sig verfolgen läßt. Der Strömungsquerschnitt des Rückför­ derkanals ist vorzugsweise wesentlich kleiner als der Querschnitt des Verarbeitungskanals, wodurch sich bei der Zirkulation der Materialmischung in dem Rückförderkanal eine hohe Strömungsgeschwindigkeit einstellt, so daß die Materialmischung in relativ kurzer Zeit nach dem Eintre­ ten der Meßvorrichtung zugeführt wird bzw. an dieser vorbeiströmt. Es hat sich gezeigt, daß erfindungsgemäß eine präzise Messung rheologischer Absolutgrößen zur zeitabhängigen Charakterisierung von Compoundierzuständen und Degradationsprozessen in Abhängigkeit von Scher- oder Temperatureinflüssen möglich ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ersichtlich, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung eines Quer­ schnitts eines erfindungsgemäßen Mischers zeigt.

Gemäß der Figur weist ein Mischer 10 in einem Gehäuse 19 einen sich in Förderrichtung verjüngenden Verarbeitungs­ kanal 11 auf, der an seinem einen, gemäß der Figur oberen Ende eine Zuführöffnung 18 und am entgegengesetzten Ende eine Austrittsöffnung 17 besitzt. Die Austrittsöffnung ist mittels eines Verschlußelementes 13 in Form eines Dreiwegehahns wahlweise zu öffnen oder zu verschließen. In dem Verarbeitungskanal 11 ist eine Fördervorrichtung 12 in Form von zwei Förderschnecken 12a, 12b angeordnet, die miteinander kämmen und gegenläufig angetrieben sind, wie durch die Pfeile angedeutet ist.

Nahe dem Austrittsende des Verarbeitungskanals 11 bzw. nahe der Austrittsöffnung 17 zweigt von dem Verarbei­ tungskanal 11 ein Rückförderkanal 14 ab, der nahe der Eintrittsöffnung 18 wieder in diesem mündet. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rückförderkanal 14 mit einem konstanten Querschnitt ausgestaltet und weist in voneinander beabstandeten Querschnitten Druck­ sensoren 15 auf, die den Druck des in dem Rückförderkanal 14 strömenden Materials erfassen können. Darüber hinaus ist in dem Rückförderkanal 14 ein Temperatursensor 16 vorgesehen.

Die beiden Förderschnecken 12 bewirken eine Zwangsförde­ rung des Materials in dem Verarbeitungskanal 11 und somit auch dem Rückförderkanal 14, so daß der Volumenstrom im Rückförderkanal 14 eine eindeutige Funktion der Drehzahl der Förderschnecken 12a, 12b ist. Während des Misch- oder Verarbeitungsvorganges ist die Austrittsöffnung 17 ver­ schlossen, so daß das Material durch den Verarbeitungs­ kanal 11 und den Rückförderkanal 12 hindurch mehrfach zirkuliert wird, wobei die rheologischen Kenngrößen aus den im Rückförderkanal 14 erfaßten Druck- und Temperatur­ werten, der bekannten Geometrie des Rückförderkanals und dem mit der Drehzahl der Förderschnecken korrelierenden Volumenstrom errechnet werden.

Nach Beendigung des Mischvorganges wird die Austrittsöff­ nung 17 geöffnet, so daß das Material über die Austritts­ öffnung 17 aus dem Verarbeitungskanal 11 herausgefördert werden kann.

Claims (7)

1. Mischer insbesondere für viskoelastische Materia­ lien, mit einem Verarbeitungskanal (11), der an seinem Ende eine verschließbare Austrittsöffnung (17) aufweist und entlang dem die Materialien unter gleichzeitiger Durchmischung mittels einer Förder­ einrichtung (12) förderbar sind, und mit einem Rückförderkanal (14), der nahe dem Austrittsende des Verarbeitungskanals (11) abzweigt und stromauf wieder in diesen mündet, wobei die Materialmischung bei geschlossener Austrittsöffnung (17) durch den Verarbeitungskanal (11) und den Rückförderkanal (14) zirkulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückförderkanal (14) als Meßstrecke zur Erfassung von rheologischen Kenngrößen ausgebildet ist.

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückförderkanal (14) eine Drucksensorvorrichtung (15) angeordnet ist, mittels der der Druck in der geförderten Materialmischung in zumindest zwei voneinander beabstandeten Querschnitten des Rückför­ derkanals (14) erfaßbar ist.

3. Mischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Rückförderkanal (14) zumindest be­ reichsweise einen gleichbleibenden Querschnitt aufweist.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Rückförderkanal (14) zumin­ dest ein Temperatursensor (16) angeordnet ist.

5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien in dem Verarbei­ tungskanal (11) einer Zwangsförderung unterliegen.

6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördervorrichtung (12) in dem Verarbeitungskanal (11) zumindest eine Förder­ schnecke (12a, 12b) aufweist.

7. Mischer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei kämmende, gegenläufige Förderschnecken (12a, 12b) vorgesehen sind.