DE19805748A1 - Extruder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Aufbereitung von gefüllten und ungefüllten Hochpolymeren.

Die Bestrebungen bei der Aufbereitung von Hochpolymeren sind dahingehend, durch vielfältige, konstruktive Modifikationen der verfahrenstechnischen Wirkelemente die Prozesse des Scherens, Mischens und Stauens bei der Verarbeitung der Hochpolymere zu verbessern, um die Qualität des Endproduktes zu erhöhen, die Mengenleistung zu steigern und die Kosten der Produktionsanlage zu senken.

Es sind Extruder bekannt, die zur Steigerung der Wirksamkeit dieser vorbenannten Prozesse, insbesondere der Verbesserung des Scherens und Mischens in der plastischen Masse, im Zylinder des Extruders Schnecken­ elemente mit Stau- und Mischwirkung besitzen.

Diese Elemente sind unterschiedlich ausgeführt, beispielsweise mit achsparallen Einschnitten zur Erzeugung eines hydrodynamischen Druckes in einem in Drehrichtung sich öffnenden Spaltes (DE 35 33 225) oder durch Mischelemente, die in Umfangsrichtung ausgerichtete Einfräsungen und zungenförmige Mischkörper aufweisen (DE 42 27 018).

Diese bekannten Elemente und ihre Anordnung auf der Extruderschnecke lassen aber nicht die angestrebten Effekte in vollem Umfang erzielen.

Ein entscheidender Nachteil dieser bekannten Einrichtungen ist die ungenügende Temperaturführung der Hochpolymerschmelze, die in der Regel mit einer thermischen Schädigung der zu verarbeitenden Ausgangsstoffe in Verbindung steht.

Der Erfindung liegt das Ziel und die Aufgabe zugrunde, ein Stau- und Mischelement zu schaffen, welches eine gute Scher-, Stau- und Mischwirkung besitzt und in der Lage ist thermisch empfindliche Hochpolymere und Kunststoffcompounds mit und ohne Störstoffe (Fremdkörper, nicht aufschmelzbare Kunststoff usw.) ohne thermische Schädigung zu verarbeiten.

Desweiteren liegt der Erfindung das Ziel und die Aufgabe zugrunde ein auf der Basis vorgenannter Ziele und Aufgaben wirtschaftliches Maschinensystem zu entwickeln, welches bsw. ohne nennenswerte Schwierigkeiten die Einarbeitbarkeit von Naturstoffen und Naturfasern in die Kunststoffschmelze ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Extruder baugruppenartig aus einem ersten zylindrischen Verfahrensteil und einem nachfolgenden konischen Verfahrensteil besteht. Der konische Verfahrensteil bildet in einer Kombinationsanordnung von kegel­ stumpfartigen Elementen mit im Außendurchmesser reduzierten Vollscheiben Misch-, Stau/ Scher- und Entspannungszonen mit dem konischen Zylinder. Die Misch-, Stau/Scher- und Entspannungswirkung kann in ihrer Intensität durch axiales Verschieben der Gesamtschnecke oder der axialen Verschiebung der in Kombination stehenden kegelstumpfartigen Elemente mittels Scheiben entscheidend beeinflußt werden.

Dadurch werden vorgenannte Wirkungen vorbestimmbar und es wird möglich sich an die zu lösende Verfahrensaufgabe optimal anzupassen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, daß durch dieses axiale Verschieben der Wirkelemente der produktionsbedingte Verschleiß mit geringem Aufwand ausgeglichen werden kann.

Die Wirksamkeit der Wirkelemente bleibt durch das hohe Verschleißvolumen erhalten. Dabei besteht weiterhin die Möglichkeit durch eine weitere Reduzierung der freien Ringflächen die Wirksamkeit zu erhöhen.

Ungenügende verschleißbedingte Plastizierleistung im zylindrischen Teil der Schnecke kann somit ausgeglichen werden. Ersatzteilkosten und Montagekosten können eingespart bzw. reduziert werden.

In einer Ausführungsform sind vorgenannte Verfahrensteile axial federnd ausgebildet.

Vorzugsweise kommen Tellerfedern zur Anwendung die bei Erhöhung des Gegendruckes (Massedruck) zusammengedrückt werden und die Schnecke axial verschiebt. Durch den Federweg öffnen bzw. vergrößern sich die freien Ringflächen im konischen Verfahrensteil, die Fließgeschwindigkeiten, Fließwiderstände und die Schergeschwindigkeiten nehmen ab.

Dies bewirkt einen Massedruckabbau und die Tellerfedern gehen in Ihre Ausgangslage zurück.

Durch diese besonders feinfühlige Selbstregulierung der Wirkelemente wird ein überhitzen der Schmelze vermieden und Qualitätsschwankungen im Ausgangsmaterial ausgeglichen. Der Durchsatz und die Massetemperatur unterliegen dabei keine nennenswerte Schwankungen. Eine hohe Qualitätskonstanz im Fertigprodukt wird erreicht.

Die kegelstumpfartigen konischen Elemente schließen sich an der zylindrischen Schnecke an.

Der Kegelstumpfboden verschließt annähernd die Zylinderbohrung und besitzt erfindungsgemäß einen Ringspalt von kleiner 1 mm.

Die Mantelflächen der kegelstumpfartigen Elemente bilden mit dem konischen Zylinder in Extrusionsrichtung sich öffnende Keilspalte.

Der freie Öffnungswinkel der Keilspalte wird nach dem zu verarbeitenden Produkt und nach der zu lösenden Verfahrensaufgabe gewählt.

Mit größer werdenden Öffnungswinkel können vorteilhafterweise thermisch empfindlichere Produkte und Produkte mit einem hohem Störstoffanteil (Steine, Glas; Metall, nichtaufschmelzbare Hochpolymere usw.) verarbeitet werden. Durch einen großen Öffnungswinkel nehmen die Schergeschwindigkeiten ab und es erfolgt nur kurzzeitig eine extreme thermische Beanspruchung. Weiterhin wird das Festsetzen von Störstoffen verhindert.

Die Intensität der Scher- und Zerteilwirkung kann durch radial verteilte Einschnitte in den Mantelflächen der Kegelstumpfkörper variiert werden. Anzahl, freie Querschnittsfläche, Form und Einschnittstiefe bestimmen dabei die Stau-, Scher- und Zerteilwirkung.

Durch Veränderung der Einschnitte zur Achsparallelität erreicht man eine Förderwirksamkeit bzw. Bremswirkung der Schmelze.

Durch vorgenannte, vorbestimmbare Wirkungen wird eine intensive radiale und axiale Durchmischung der Schmelze und somit eine sehr gute stoffliche und thermische Homogenität erreicht.

Die kegelstumpfartigen Elemente sind vorzugsweise segmentiert und weisen eine größere Länge als die im Durchmesser reduzierten Vollscheiben auf. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführung ist die Verkürzung der effektiven Schneckenlänge.

Masseeintrittseitig verschließt in der bevorzugten Variante der Außendurchmesser der Kegelstumpfelemente die keglige Bohrung des konischen Zylinders so, daß die Schmelze durch die radialen Einschnitte aufgenommen wird.

Durch die geschlossenen Außendurchmesser und die Reduzierung der freien Masseeintrittsfläche der Kegelstumpfelemente in Extrusionsrichtung erfolgt ein Schmelzestau verbunden mit einer Massedruckerhöhung.

Dies bewirkt wiederum eine Massetemperaturerhöhung verbunden mit einer Verbesserung der Fließfähigkeit. So zum Beispiel schmilzt bei einer heterogenen Kunststoffschmelze ein höherer Anteil Kunststoff auf und es erfolgt eine Verbesserung der stofflichen und thermischen Homogenität. Bei dieser Durchmischung werden alle Masseanteile erfaßt und Abbauprozesse der Kunststoffschmelze, die in der Regel von fokalen überhitzungen ausgehen, werden vermieden.

Der Außendurchmesser der zylindrischen Vollscheiben wird durch die Tiefe der Einschnitte des Kegelstumpfkörpers so bestimmt, daß tote Ecken und Schmelzeanhäufungen in der Misch-, Stau/Scher- und Entspannungszonen vermieden werden.

Die Einschnitte der Kegelstumpfkörper laufen vorteilhafterweise in der zylindrischen Vollscheibe aus.

Die Dimensionierung der Einschnitte der Kegelstumpfkörper erfolgt so, daß sie mindestens der maximalen Größe der nichtaufschmelzbaren Ausgangsstoffe bzw. Störstoffe entsprechen.

Dadurch werden Anlagerungen und das Festsetzen von Störstoffen verhindert. In einer weiteren Ausführungsform sind die kegelstumpfartigen Elemente direkt aneinander gereiht und paarweise entgegengesetzt angeordnet.

Durch diese Anordnung werden tote Ecken im Fließkanal verhindert, die Scherintensivität verbessert und die effektive Schneckenlänge erhöht.

Durch eine extrem hohe Dispergierleistung ist diese Ausführungsform besonders für die Herstellung von Farbmasterbatche geeignet.

Das konische Verfahrensteil endet mit einer Spitze, wobei die bevorzugte Variante einen Spitzengrundkörper mit einer Schlüsselaufnahme besitzt. Die Schlüsselaufnahme dient als Mischelement und besitzt einen Bund, der bei der segmentierten Variante die axiale Verspannung der Schneckenelemente mit der zylindrischen Schnecke übernimmt.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Stau- und Mischelementes bestehen in der Erhöhung der Wirksamkeit des Misch- und Homogenisierungsprozesses für thermisch empfindliche Compounds, in der Verarbeitbarkeit von Kunststoffgemischen mit Störstoffen, in der Reduzierung der effektiven Schneckenlänge des Extruders und in der Möglichkeit sich ohne hohem technischem Aufwand sich an die vielfältigsten Verarbeitungsaufgaben in der kunststoffverarbeitenden Industrie anzupassen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführunsbeispiele näher erläutert werden.

In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 Konisches Verfahrensteil mit zylindrischer Einschnecke

Fig. 2 Schnitt A-A nach Fig. 1

Fig. 3 Konisches Verfahrensteil für Doppelschneckenextruder

Beispiel 1

Die Darstellung nach Fig. 1 zeigt ein zylindrisches und ein konisches Verfahrensteil.

Das zylindrische Verfahrensteil ist ein herkömmlicher Einschneckenextruder und das nachfolgende konische Verfahrensteil besteht aus einem konischem Zylinder (1). Die Schnecke (2) zeigt kegelstumpfartige Elemente (3, 4, 5), die in einer Kombination mit im Außendurchmesser reduzierten Vollscheiben (6, 7) gepaart sind.

Durch diese Anordnung werden im konischen Verfahrensteil Misch-, Stau/Scher- und Entspannungszonen gebildet.

Zwischen dem konischen Schneckenteil (2) und den zylindrischen Schneckenteil (9) befinden sich in einem Führungsstück Tellerfedern (8), die gegen die konische Schnecke (2) und der zylindrischen Schnecke (9) drücken und somit eine elastische Verbindung zwischen der konischen und zylindrischen Schnecke herstellen.

Die konische Schnecke (2) besteht aus einem Grundkörper (10), bestehend aus Schlüsselfläche (11), einer Spitze (12) und einer Haltescheibe (18). Die einzelnen Elemente: Kegelstumpfelement mit gleicher Ausspartiefe (3), zylindrische Scheibe (6), Kegelstumpfelement mit abnehmender Ausspartiefe (4), konische Scheibe (7) und Kegelstumpfelement mit auslaufender Aussparung in der Mantelfläche (5) sind auf dem Grundkörper (10) aufgeschoben und mit der zylindrischen Schnecke (9) elastisch verspannt, wobei die Distanzscheibe (13) den Schneckengrundkörper (10) axial in der Lage einstellt.

Die Darstellung nach Fig. 2 zeigt den Schnitt durch das kegelstumpfartige Element (4) und stellt die axialen Aussparungen (14) und den Grundkörper (10) dar.

Die Wirkungsweise der Erfindung stellt sich folgendermaßen dar:
Die zylindrische Extruderschnecke (9) zieht die Ausgangsstoffe ein und plastiziert die Kunststoffe in einer Drei-Stufen-Schnecke (9) an. Ein gutes Einzugsverhalten und ein hoher Druckaufbau wird durch die Nutbuchse in der Einzugszone erreicht.

Die inhomogene Schmelze wird durch die Schnecke (9) in das konische Verfahrensteil (2) transportiert.

In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist die Scheibe (13) in ihrer Länge so dimensioniert, daß der erste Kegelstumpfkörper (2) in den radial verteilten Einschnitten (14) die gesamte Schmelze aufnimmt. Dadurch erfolgt über die Länge des Kegelstumpfkörpers (3) bei hohen Fließgeschwindigkeiten eine intensive radiale und axiale Durchmischung.

Lokale thermische überhitzungen werden durch den zunehmenden Keilspalt (15) zwischen Kegelmantel und Zylinder und somit durch die Reduzierung der Schergeschwindigkeit vermieden.

Weiterhin wird ein Festsetzen und ein Verklemmen von Störstoffen (nicht aufschmelzbare Polymere, Metall, Glas usw.) verhindert.

Die nachfolgende Entspannungszone, die durch im Außendurchmesser reduzierte Scheibe (6) entsteht, bestimmt mit Ihrer Dimensionierung die Wirkungen des nachfolgenden Kegelstumpfelementes (4).

Durch die Verkürzung der Länge der Scheibe (6) tritt eine axiale Verschiebung des nachfolgenden Kegelstumpfelementes (4) ein. Dadurch entsteht masseeintrittsseitig eine Kreisringfläche (16).

Die Kunststoffschmelze wird in den nachfolgenden Kegelstumpfkörper (4) aufgenommen und die beschriebenen Vorgänge wiederholen sich in den nachfolgenden Elementen (7, 5).

Dabei tritt durch Vergrößerung der Kreisringfläche (16) eine Schergeschwindig­ keitsreduzierung und eine Fließgeschwindigkeitserhöhung durch die geringer werdende freie Querschnittsflächen ein.

Dies bewirkt, daß die in das zu bearbeitende Material eingeleitete Energie veränderbar und vorbestimmbar wird. Die Stau-, Scher- und Mischwirkung, sowie die thermische und stoffliche Homogenität, wird beeinflußbar.

In der dargestellten Ausführung nimmt die Tiefe der Aussparungen (14) ab. Die Aussparungen (14) können U-, trapez- oder rechteckförmig sein und laufen in der Scheibe (6, 7) oder im Kegelstumpfkörper (5) aus.

Erfindungsgemäß liegt bei der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform eine ständige Reduzierung der freien Querschnittsfläche vor. Die Fließgeschwindigkeiten und die intensive Durchmischung nimmt dabei stärker zu als die Zerteil- und Dispergierwirkung.

Die ständige Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit in Fließrichtung in Verbindung mit der Vergrößerung der Scherspalte bewirkt weiterhin eine thermisch schonende Aufbereitung.

Nach den kegelstumpfartigen Elementen befinden sich die Wirkelemente des Grundkörpers (10) bestehend aus zylindrischer Haltescheibe (18), Mischelement mit Schlüsselfläche (11) und Spitze (12).

In dieser Zone wird die turbolente Schmelzeströmung in Fließrichtung ausgerichtet.

Alle vorgenannten Effekte und Wirkungen können durch die Distanzscheibe (13) entscheiden beeinflußt werden. Durch das axiale Verschieben des gesamten konischen Verfahrensteiles sind alle vorgenannten Wirkungen vorbestimmbar und einstellbar.

Weiterhin besteht die Möglichkeit durch eine längere Scheibe (13) den Verschleiß im konischen Verfahrensteil auszugleichen.

Dies erfolgt in kurzen Montagezeiten bei geringen Kosten.

Die axiale Verstellung ist eine wesentliche Qualitäts- und Leistungsgröße, die im Ausführungsbeispiel zusätzlich unter Produktionsbedingungen durch Tellerfedern (8) erreicht wird.

Die Wirkungsweise stellt sich dabei folgendermaßen dar:
Die Schneckenelemente (2) des konischen Teiles sind federnd gelagert. Bei ausgangsproduktbedingten Massedruckerhöhungen werden die Tellerfedern (8) zusammengedrückt. Die freie Querschnittsringfläche erhöht sich, die Schergeschwindigkeit und die Fließgeschwindigkeiten nehmen ab. Thermische überhitzungen und Durchsatzabfälle werden vermieden.

Parallel dazu gehen die Tellerfedern (8) in ihre Ausgangslage zurück. Eine Selbstregulierung des Prozesses in Verbindung mit einer Verbesserung der stofflichen und thermischen Homogenität tritt ein.

Mit dem erfindungsgemäßen Extruder wird eine thermisch und stofflich hochwertige Schmelze hergestellt und hohe Massedrücke erreicht.

Durch die Flexibilität der Anordnungen der Wirkelemente ist eine Anpassung an die vielfältigsten Verfahrensaufgaben möglich.

Beispiel 2

Die Erfindung soll am Beispiel eines Doppelschneckenextruders näher erläutert werden.

Die dazugehörige Zeichnung in Abb. 3 zeigt den Längsschnitt der konischen Schneckenteile mit Zylinder.

In der Zeichnung ist eine Kombinationsanordnung von kegelstumpfartigen Elementenpaaren eines Doppelschneckenextruders dargestellt.

Die Grundkörper (27) mit Schlüsselfläche (11) und Spitze (12) nehmen die segmentierten Elemente (19 bis 24) auf. Die Elementenpaare (19/20, 21/22 und 23/24) sind als Kegelstumpfkörper mit unterschiedlich großen Kegelwinkeln ausgebildet und paarweise, gegenüberliegend derart angeordnet, daß zwischen ihren Mantelflächen im Eingriffbereich der Schneckenwellen ein Spalt vorhanden ist, indem die Schmelze einer zusätzlichen Scher- und Knetwirkung unterzogen wird.

Zwischen den kegelstumpfartigen Elementen (21/23, 20/22) sind Distanzscheiben (18, 26) angeordnet, die zur Regelung der Intensität des Scher- und Knetprozesses die Größe des Spaltes (17) durch axiales Verschieben der Elemente auf dem Grundkörper (27) einstellbar gestalten.

Die Wirkungsweise der Kombinationsanordnung stellt sich folgendermaßen dar:
Von eine in Eingriff stehenden zylindrischen Doppelschnecke wird die plastische Masse in den konischen Misch- und Stauabschnitt gefördert. Der Misch- und Stauabschnitt besteht aus zwei Kammern (linke und rechte konische Zylinderbohrung), wobei die plastische Masse von der in Förderrichtung betrachteten rechten offenen Kammer aufgenommen wird.

Die gesamte Masse wird über die Länge des Kegelstumpfkörpers (19) in die freie Kammer um das Kegelstumpfelement (20) gelenkt. Durch die kegelstumpfartigen Elementeparungen (21/22, 23/24) wird der Massestrom von der einen in die andere Kammer umgelenkt.

Die dabei auftretende intensive stoffliche und thermische Durchmischung der plastischen Schmelze wird durch die Wahl der Anzahl der Elementenpaare in der Kombinationsanordnung und durch die Größe deren Kegelwinkel bestimmt.

Die Intensität der Scherung und Knetung der Masse zwischen den Mantelflächen der paarweise angeordneten Kegelstumpfelemte (19/20, 21/22, 23/24) wird von der durch die Distanzscheiben (25, 26) regelbaren Größe des Spaltes (17) beeinflußt.

Die ständige Umlenkung des Massestromes und die ständige Erhöhung der Fließgeschwindigkeiten, die durch die ständig in Extrusionsrichtung abnehmende freie Querschnittsfläche bedingt sind, wird eine besonders guter Homogenisierprozeß bei thermisch schonender Beanspruchung erreicht.

Claims (9)

1. Extruder zur Verarbeitung von Hochpolymeren, dadurch gekennzeichnet, daß baugruppenartig ein erstes zylindrisches Verfahrensteil (9) mit genuteter Einzugszone mit einem zweiten konischen Verfahrensteil (1, 5) gepaart ist, welches so ausgebildet ist, daß kegelstumpfartige Elemente (3, 4, 7) mit dem Kegelstumpfboden und dem Zylinder Ringspalte (16) von kleiner 1 mm bilden und in einer Kombinations­ anordnung mit im Außendurchmesser reduzierten Vollscheiben (6, 7) Misch-, Stau/Scher- und Entspannungszonen entstehen und daß die Extruderschnecke (2, 9) und/oder die kegelstumpfartigen Elemente (3, 4, 5) in axialer Richtung einstellbar oder einstellbar und axial federnd ausgebildet sind.

2. Extruder nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Mantelflächen der kegelstumpfartigen Elemente (3, 4, 5) mit dem konischen Zylinder in Extrusionsrichtung sich öffnende Keilspalte (15) bilden.

3. Extruder nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelflächen glatt sind oder um den Umfang verteilt axiale Einschnitte (17) aufweisen, die achsparallel, links oder rechtssteigend sind.

4. Extruder nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kombination befindlichen kegelstumpf­ artigen Elemente (3, 4, 5) vorzugsweise segmentiert sind und eine größere Länge als die im Durchmesser reduzierten Vollscheiben (6, 7) aufweisen.

5. Extruder nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der kegelstumpfartigen Elemente (3, 4, 5) masseeintrittsseitig die konische Zylinderbohrung vorzugsweise annähernd verschließen.

6. Extruder nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Außendurchmesser der Vollscheiben (6, 7) kleiner/gleich der Außendurchmesser der masseaustrittseitigen kegel­ stumpfartigen Elemente (3, 4, 5,) und der austrittsseitigen Aussparungen (14) sind.

7. Extruder nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren Ausführungsform die kegelstumpfartigen Elemente (3, 4, 5) direkt aneinander gereiht sind und paarweise entgegengesetzt angeordnet sind.

8. Extruder nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kombination stehenden Elemente (3, 4, 5, 6, 7) vorzugsweise auf einem Grundkörper (10) mit Schlüsselfläche (11) Spitze (12) und Scheibe (18) angeordnet sind.

9. Extruder nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprüche auch für einen Mehrwellen­ extruder gelten, wobei die kegelstumpfartigen Elemente (19 bis 24) paarweise und gegenüberliegend in einer Kombinationsanordnung als Elementenpaare (17/20, 21/22, 23/24) angeordnet sind und um den Mantelflächen Spalte (17) bilden.