DE19810791A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wassereinspritzschaumverdunstung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur WassereinspritzschaumverdunstungInfo
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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 (4)
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.
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.
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.
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