DE19810791A1

DE19810791A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wassereinspritzschaumverdunstung

Info

Publication number: DE19810791A1
Application number: DE19810791A
Authority: DE
Inventors: Ning-He Wang; Norimasa Oda; Seiji Takamoto; Yoshitaka Kimura; Hideki Mizuguchi
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1997-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1998-09-24
Also published as: US6007749A; JPH10249913A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymerwassereinspritzschaumverdampfungsverfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, und betrifft speziell eine Verbesserung beim Entfernen flüchtiger Bestandteile aus einem geschmolzenen Polymermaterial mit hohem Wirkungsgrad.

Bislang wurde bei einem herkömmlichen Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren und einer herkömmlichen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ein Extruder verwendet, wie er in den Fig. 2 bis 5 dargestellt ist. In Fig. 2 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder bezeichnet, und ist ein Teil des oberen Abschnitts eines Doppelschneckenextruders 2 dargestellt. In der oberen Oberfläche des Zylinders 1 sind eine Materialzufuhröffnung 3, eine Wassereinspritzöffnung 4 und eine Entlüftungsöffnung in dieser Reihenfolge, gesehen von stromaufwärts aus, vorgesehen. Weiterhin sind in dem Zylinder 1 zwei Schnecken (ein Paar), die sich in derselben Richtung drehen, so angeordnet, daß sie miteinander im Eingriff stehen.

Der Zylinder 1 weist eine Füllzone 10 auf, eine mit einer Wassereinspritzöffnung 4 versehene Wassereinspritzzone 11, und eine Entlüftungszone 12, bei welcher die Entlüftungsöffnung vorgesehen ist, in dieser Reihenfolge, gesehen in der Flußrichtung. Die voranstehend geschilderte Schnecke in der Füllzone besteht aus einer Endlosschnecke 6a, die Schnecke in der Wassereinspritzverteilungszone 11 besteht aus einem zweiten Ring 13, mehreren Knet-Verteilungsschnecken 14, und einem ersten Ring 15, die in Flußrichtung in dieser Reihenfolge angeordnet sind, und die Schnecke 6 in der Verdunstungszone 12 besteht aus einer Endlosschnecke 6b.

Fig. 13 zeigt eine Druckverringerungs-Expansionszone 17. Im einzelnen ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau ein Druckverringerungs-Expansionszonen-Spezialring 16 (der in Fig. 4 gezeigt ist) unmittelbar hinter dem ersten Ring 15 der Verdunstungszone angeordnet.

Hierbei wird das von der Materialzufuhröffnung 3 zugeführte Polymermaterial durch die Schnecke 6 extrudiert, während es geschmolzen und geknetet wird, und wird das von der Wassereinspritzöffnung 4 eingespritzte Wasser in dem sich auf hoher Temperatur befindlichen, geschmolzenen Polymermaterial, welches in der Einspritzwasserverteilungszone eingefüllt ist, unter hohem Druck verteilt. Dieser hohe Druck wird durch die Extrudierwirkung der Schnecke 6 aufrechterhalten, die stromaufwärts des zweiten Ringes 13 angeordnet ist, und durch die Sperrwirkung des ersten Ringes 15, und ist höher als der Sättigungsdampfdruck des Wassers, wenn das eingespritzte Wasser in dem sich auf hoher Temperatur befindenden geschmolzenen Polymermaterial verteilt wird. Die Verdunstungszone 12, die stromabwärts des ersten Rings 15 liegt, befindet sich unter Vakuum. Beim Durchgang durch den ersten Ring 15 wird daher der Druck des geschmolzenen Polymermaterials abrupt verringert, und beginnt das in dem geschmolzenen Polymermaterial verteilte Wasser abrupt zu schäumen. In diesem Fall beginnen die flüchtigen Bestandteile in dem geschmolzenen Polymermaterial damit, sich in den Schaum zu verteilen, über die Schaum/Polymergrenzfläche, seit dem Zeitpunkt aus, an welchem der Schaumeffekt auftritt. Andererseits werden in dem geschäumten, geschmolzenen Polymermaterial die Schäume durch die Scherwirkung der Schnecke 6 in der Verdunstungszone aufgebrochen, die stromabwärts des ersten Ringes 15 liegt. Dies führt dazu, daß die flüchtigen Bestandteile in den Schäumen nach außerhalb des geschmolzenen Polymermaterials verteilt werden, und nach außen durch die Entlüftungsöffnung 5 ausgestoßen werden.

Andererseits verringert sich mit Hilfe des Druckverringerungs-Expansionszonen-Spezialrings 16, der unmittelbar hinter dem ersten Ring 15 angeordnet ist, der Druck des geschmolzenen Polymermaterials nach dem Durchgang durch den ersten Ring 15 langsam, so daß der Schaum ausreichend stark wächst; es ergibt sich daher eine erhebliche Verweilzeit. Dies führt dazu, daß das geschmolzene Polymermaterial ausreichend entgast wird.

Das herkömmliche Verfahren und die herkömmliche Vorrichtung zur Wassereinspritzschaumverdunstung sind wie voranstehend geschildert ausgelegt. Daher treten bei ihnen folgende Probleme auf: Da der Extruder zwei Ringe verwendet, und einer der Ringe stromaufwärts der Wassereinspritzverteilungszone angeordnet ist, ergibt sich ein hoher Flußwiderstand. Wenn daher das geschmolzene Polymermaterial durch den Spalt zwischen dem Ring und dem Zylinder hindurchgeht, verringert sich der Druck des geschmolzenen Polymermaterials, so daß der Wassereinspritzdruck und das Ausmaß der Extrusion nicht hoch genug sind. Weiterhin wird in dem Spaltabschnitt des Ringes infolge der Scherwirkung Wärme erzeugt. Daher ist es unmöglich, die Verdunstung ausreichend zu verbessern; es ist daher unmöglich, eine hohe Drehzahl der Schnecke zu erzielen, einen hohen Wassereinspritzdruck, und einen hohen Wasserverteilungseffekt. Darüber hinaus findet keine Selbstreinigung in dem Bereich zwischen dem Druckverringerungs-Expansionszonen-Spezialring 16, der stromabwärts der Druckverringerungsexpansionszone liegt, und dem ersten Ring 15, der stromaufwärts liegt, statt.

Angesichts der voranstehenden Erwägungen besteht ein Vorteil der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahrens, bei welchem die flüchtigen Bestandteile in einem geschmolzenen Polymermaterial mit hohem Wirkungsgrad entfernt werden, und in der Bereitstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Das Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein geschmolzenes Polymermaterial, welches in einer Wassereinspritzverteilungszone eines Extruders geknetet wird, der zwei Schnecken 6 aufweist, die sich in derselben Richtung drehen, geknetet und mit zugeführtem Wasser verteilt wird, und in einer stromabwärts angeordneten Verdunstungszone werden die flüchtigen Bestandteile in dem geschmolzenen Polymermaterial entfernt, und werden zusammen mit dem Wasser gasförmig, wobei das geschmolzene Polymermaterial glatt von einer Füllzone, die stromaufwärts des Extruders liegt, glatt zur Wassereinspritzverteilungszone vorgeschoben wird, und ein Ring als Widerstandselement nur in der Wassereinspritzverteilungszone vorgesehen ist, wodurch das Einspritzen von Wasser mit erhöhter Menge an geschmolzenem Polymermaterial und erhöhtem Druck durchgeführt wird.

Weiterhin ist bei dem Verfahren eine extrudierende und sich selbst reinigende Druckverringerungsexpansionszone zwischen dem stromabwärtigen Ende der Wassereinspritzverteilungszone und einer Entlüftungsöffnung der Verdunstungszone vorgesehen, um die Fließrate des geschmolzenen Polymermaterials zu verringern.

Eine Wassereinspritzschaumverdunstungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Extruder. Dieser ist mit einem Zylinder versehen, der eine Materialzufuhröffnung aufweist, eine Wassereinspritzöffnung und eine Entlüftungsöffnung, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, gesehen von stromaufwärts aus, und weist zwei Schnecken auf, die sich so in derselben Richtung drehen, daß sie miteinander im Eingriff stehen, und weist eine Füllzone auf, eine Wassereinspritzverteilungszone, die mit der Wassereinspritzöffnung versehen ist, eine Druckverringerungsexpansionszone, und eine Verdunstungszone, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, gesehen von stromaufwärts des Extruders aus. Bei der Vorrichtung ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Ring nur stromabwärts der Wassereinspritzöffnung der Wassereinspritzverteilungszone vorgesehen, und ist die Wassereinspritzverteilungszone an zumindest einem Ort in dem Extruder angeordnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung, bei welcher ein Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird, sowie die Druckeigenschaften, gesehen in Axialrichtung;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung, bei welcher ein herkömmliches Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren durchgeführt wird, und die Druckcharakteristik, gesehen in Axialrichtung;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch eine weitere Vorrichtung, bei welcher das herkömmliche Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren durchgeführt wird, und die Druckcharakteristik, gesehen in Axialrichtung;

Fig. 4 eine Vorderansicht eines Spezialrings, der bei der in Fig. 3 dargestellten Vorrichtung eingesetzt wird; und

Fig. 5 eine Seitenschnittansicht des in Fig. 4 dargestellten Spezialrings.

In der nachstehenden Beschreibung sind Teile, deren Wirkungsweise jener der Teile entspricht, die bereits unter Bezugnahme auf den Stand der Technik beschrieben wurden, mit gleichen Bezugsziffern oder Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch eine Vorrichtung, welche einen Wassereinspritzschaumverdunstungsvorgang durchführt (einen Extruder), gemäß der vorliegenden Erfindung, sowie die Druckeigenschaften, gesehen in Axialrichtung.

In Fig. 1 ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Zylinder bezeichnet, und ein Teil des oberen Abschnitts eines Doppelschneckenextruders 2 dargestellt. In der oberen Oberfläche des Zylinders 1 sind in dieser Reihenfolge, gesehen von stromaufwärts aus, eine Materialzufuhröffnung 3, eine Wassereinspritzöffnung 4 und eine Entlüftungsöffnung 5 vorgesehen. In dem Zylinder 1 sind zwei Schnecken 6, die sich in derselben Richtung drehen (von denen in Fig. 1 nur eine gezeigt ist) so angeordnet, daß sie miteinander im Eingriff stehen. Der Zylinder 1 weist eine Füllzone 10 auf, eine Wassereinspritzverteilungszone mit der Wassereinspritzöffnung 4, eine Druckverringerungsexpansionszone 17, und eine Verdunstungszone 12, in welcher die Entlüftungsöffnung 5 angeordnet ist, und zwar in dieser Reihenfolge, gesehen von stromaufwärts aus. Die Schnecke 6 in der Füllzone besteht aus einer Endlosschnecke 6a, ähnlich wie im Falle der Fig. 2 und 3. Auf die Endlosschnecke 6a folgt die Schnecke 6 in der Wassereinspritzverteilungszone 11. Diese Schnecke 6 besteht aus vorderen, senkrechten und entgegengesetzten Knetscheiben, oder aus mehreren Knetverteilungsschnecken 14 mit anderen Arten und Kombinationen, und nur einem Ring, der am stromabwärtigen Ende angeordnet ist. Daher tritt kein Ringwiderstand an der stromabwärtigen Seite der Füllzone auf. Daher wird die Austragskapazität unter Druck verbessert. Wenn das Polymermaterial, welches durch die Materialzufuhröffnung 3 zugeführt wird, extrudiert wird, während es von der Schnecke 6 geknetet wird, so wird, wie in dem Eigenschaftsdiagramm dargestellt ist, der hohe Druck der Wassereinspritzverteilungszone höher ausgebildet als beim Stand der Technik (schraffiert dargestellt), und wird das von der Wassereinspritzöffnung eingespritzte Wasser in dem geschmolzenen Polymermaterial ausreichend verteilt, welches sich im Zustand von Wasser befindet, oder in einem Zustand hoher Dichte, so daß das Ausmaß an Vergasung minimal ist. Darüber hinaus wird die Hitze infolge der Scherwirkung verringert, und daher die Wasserverteilung verbessert. Weiterhin kann die Drehzahl der Schnecke 6 erhöht werden, was dazu erforderlich ist, die Schäume in der Druckverringerungsexpansionszone 17 und in der Verdunstungszone 12 aufzubrechen.

Die Schnecke 6 in der Druckverringerungsexpansionszone 17 besteht aus einer Extruder-Endlosschnecke 6c, bis zum Einlaß der Entlüftungsöffnung 5, wo gute Selbstreinigungseigenschaften vorliegen, und die Schnecke 6 in der Verdunstungszone 12 besteht aus einer Endlosschnecke 6c. Daher wird die Flußrate des geschmolzenen Polymermaterials verringert, welches sich in dem Druckverringerungsschaumzustand befindet, und durch den Ring 15 hindurchgeht. Daher wird das Aufbrechen der Schäume in dem geschmolzenen Polymermaterial infolge der Scherkraft des selbstreinigenden Schneckenelements verbessert, und wird die Verdunstungswirkung verbessert. Die Verwendung des selbstreinigenden Schneckenelements in der Druckverringerungsexpansionszone 17 verbessert die Selbstreinigungseigenschaften, und führt zu einer gleichmäßigen Verweilzeit des geschmolzenen Polymermaterials, und verhindert daher eine Beeinträchtigung des geschmolzenen Polymermaterials.

Die Verdunstungszone 12, die stromabwärts der Druckverringerungsexpansionszone 17 liegt, befindet sich unter Vakuum.

Wenn daher das geschmolzene Polymermaterial durch den Ring 15 hindurchgeht, sinkt der Druck des geschmolzenen Polymermaterials abrupt ab, so daß in dem geschmolzenen Polymermaterial verteiltes Wasser vergast wird, so daß eine plötzliche Schaumbildung auftritt. In diesem Fall beginnen die flüchtigen Bestandteile, die in dem geschmolzenen Polymermaterial enthalten sind, damit, sich in die Schäume zu verteilen, durch die Schaum/Polymer-Grenzfläche, seit dem Zeitpunkt, an welchem der Schaumeffekt auftrat. Andererseits werden in dem geschäumten, geschmolzenen Polymermaterial die Schäume durch die Scherwirkung der Schnecke 6 in der Verdunstungszone 17 aufgebrochen, die stromabwärts des ersten Rings 15 liegt. Dies führt dazu, daß die flüchtigen Bestandteile in den Schäumen nach außerhalb des geschmolzenen Polymermaterials abgegeben werden, und nach außen durch die Entlüftungsöffnung 5 ausgestoßen werden.

Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weisen die voranstehend geschilderten Eigenschaften auf, und führen daher zu folgenden Auswirkungen oder Vorteilen: In dem Extruder ist der Ring nur in der Wassereinspritzverteilungszone vorgesehen. Das geschmolzene Polymermaterial wird daher glatt von der Füllzone zur Wassereinspritzverteilungszone extrudiert, wodurch in der Wassereinspritzverteilungszone der Wassereinspritzdruck ausreichend hoch ist, und die Drehzahl der Schnecke erhöht wird. Die Wasserverteilung wird daher mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt, und es wird nicht nur die Verdunstungswirkung, sondern auch die extrudierte Menge erhöht.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung der Ring, der beim Stand der Technik stromaufwärts der Wassereinspritzverteilungszone angeordnet ist, durch die Extruder-Endlosschnecke ersetzt ist, ist in der Wassereinspritzverteilungszone der Wassereinspritzdruck ausreichend hoch; das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung weisen daher eine erhöhte Verarbeitungskapazität auf.

Claims

1. Wassereinspritzschaumverdunstungsvorrichtung, welche aufweist:
einen Extruder mit:
einem Zylinder, der mit einer Wassereinspritzöffnung und einer Entlüftungsöffnung versehen ist, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, gesehen von stromaufwärts, wobei in dem Zylinder zwei Schnecken vorgesehen sind, die sich in derselben Richtung drehen, und miteinander im Eingriff stehen;
einer Füllzone, einer Wassereinspritzverteilungszone, in welcher die Wassereinspritzöffnung vorgesehen ist, einer Druckverringerungsexpansionszone, und einer Verdunstungszone, in welcher die Entlüftungsöffnung vorgesehen ist, und die in dieser Reihenfolge angeordnet sind, gesehen von stromaufwärts des Extruders; und
einem Ring, der nur stromabwärts der Wassereinspritzöffnung der Wassereinspritzverteilungszone vorgesehen ist, wobei die Wassereinspritzverteilungszone an zumindest einem Ort in dem Extruder vorgesehen ist.

2. Wassereinspritzschaumverdunstungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extrusionsdruckverringerungsexpansionszone zwischen dem stromabwärtigen Ende der Wassereinspritzverteilungszone und einer Entlüftungsöffnung der Verdunstungszone vorgesehen ist, um die Flußrate des geschmolzenen Polymermaterials zu verringern.

3. Wassereinspritzschaumverdunstungsverfahren, bei welchem ein geschmolzenes Polymermaterial, welches in einer Wassereinspritzverteilungszone eines Extruders geknetet wird, der zwei Schnecken 6 aufweist, die sich in derselben Richtung drehen, geknetet wird, wobei zugeführtes Wasser darin verteilt wird, und in einer Verdunstungszone, die weiter stromabwärts angeordnet ist, die flüchtigen Bestandteile in dem geschmolzenen Polymermaterial entfernt werden, und zusammen mit dem Wasser vergast werden, mit folgenden Schritten:
glattes Vorschieben des geschmolzenen Polymermaterials von einer Füllzone, die stromaufwärts des Extruders angeordnet ist, zur Wassereinspritzverteilungszone, und
Durchführung einer Wassereinspritzung unter erhöhtem Druck durch Bereitstellung eines Rings als Widerstandselement nur in der Wassereinspritzverteilungszone.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extrusionsdruckverringerungsexpansionszone zwischen dem stromabwärtigen Ende der Wassereinspritzverteilungszone und einer Entlüftungsöffnung der Verdunstungszone vorgesehen ist, um die Flußrate des geschmolzenen Polymermaterials zu verringern.