DE19824303C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Extrusion von thermoplastischen Kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Extrusion von thermoplastischen Kunststoffen, die aus einem Zylindergehäuse und zwei sich darin drehenden Schnecken aufgebaut ist. Die Schnecken kämmen ineinander und können sowohl gegenläufig als auch gleichläufig ausgeführt werden. In die Scheckenstege sind zur Entspannung des Materials und zur Reduzierung der Temperatur seitliche Ausbuchtungen bzw. "Taschen" eingebracht, die sich durch eine strömungsgünstige Gestaltung selber reinigen.

Es gibt eine Vielzahl von Versuchen, Plastifizierleistungen von Doppelschnecken zu verbessern. Als Stand der Technik hat sich herausgebildet, sogenannte Knetzonen einzubringen. Knetzonen sind komplette Stegdurchbrüche, die für das Kammerförder­ prinzip der gegenläufigen Doppelschnecke den Nachteil haben, daß undefinierte Ver­ weilzeitbereiche entstehen und das Prinzip der geschlossenen Kammer verlassen wird.

In DE 28 52 046 A1 wird bei Einschnecken die Schmelze über einen verkürzten Schneckensteg in einen anderen Bereich der Schnecke geführt, und somit tritt eine Vermischung der Schmelze auf.

Beim Anmeldegegenstand werden seitlich in den Stegen Taschen eingebracht, so daß keine Stegdurchbrüche entstehen, so daß der Anmeldegegenstand mit dem Stand der Technik nicht vergleichbar ist.

Doppelschnecken zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen sind so auf­ gebaut, daß entlang der Schneckenlänge unterschiedliche Zonen vorliegen. Jede Zone hat eine bestimmte Aufgabe im Rahmen der Plastifizierung zu übernehmen. Folgende Zonen sind allgemein als Standardausführung zu betrachten:

• a) die Einzugszone, die die Aufgabe hat, das Material sicher einzuziehen und der nächsten Zone zu übergeben.
• b) Die Vorwärm- oder Mischzone, die zur Aufgabe hat, das Material auf eine Tempe­ ratur aufzuheizen, die es erlaubt, genügend Scherung einzubringen, um insbesonde­ re bei der PVC-Verarbeitung PVC-Pulverkörner aufzubrechen. Dieses "Aufbre­ chen" verlangt eine möglichst homogene Aufheizung, d. h. Produkttemperatur des Materials.
• c) Die Kompressionszone hat zur Aufgabe, das Material abzustauen und einen hohen Anteil an Scherung zu produzieren. Durch den Abstaueffekt wird in der Schmelze zusätzlich Temperatur produziert sowie erhebliche Spreizkräfte, die Verschleiß verursachen.
• d) Die Entgasungszone ist nur zu einem geringen Anteil mit Material gefällt und wird zur Entgasung flüchtiger Bestandteile genutzt.
• e) Die Meteringzone dient ausschließlich zum Aufbau eines Druckes zur Überwin­ dung des Werkzeuges. Der Gegendruck an der Schneckenspitze verursacht auch eine Spreizwirkung zwischen den Schnecken, durch die Verschleiß initiiert wird.

Die Hauptanforderung bei der Schneckenauslegung ist es, daß zum einen ein großer Durchsatz gefahren und zum anderen eine möglichst weite Rezepturbandbreite verar­ beitet werden kann. Die Temperatur der Masse am Austritt des Extruders sollte mög­ lichst gering sein. Die Homogenität der Temperatur spielt ebenfalls eine wichtige Rolle.

Die Hauptproblematik bei der Auslegung liegt darin, daß in Abhängigkeit der Schnec­ kendrehzahlen erhebliche Friktionsenergie entsteht und somit in Abhängigkeit von der Rezeptur eine Schneckengeometrie in der Regel nur für ein bestimmtes Verarbei­ tungsfenster geeignet ist.

Grundsätzlich kann gesagt werden, daß wegen des unterschiedlichen Rezepturaufbaus für die Verarbeitung von typischen Rohrrezepturen sowie Fensterprofilrezepturen oder auch Schaumrezepturen sehr unterschiedliche Schneckengeometrien zur Anwen­ dung kommen. Dies gilt ebenfalls für den Einsatz unterschiedlicher Stabilisator- oder Gleitmittelcompoundsysteme, die häufig separate, speziell optimierte Schneckengeo­ metrien benötigen, um geforderte Leistungsansprüche zu erfüllen.

Die erfinderische Aufgabe ist es, eine Schneckengeometrie oder Elemente hierfür zu entwickeln, die die Verarbeitungsbandbreite erweitern sowie die Entstehung einer zu hohen Friktionsenergie verringern. Zudem soll der Verschleiß dieser Verfahrenseinheit verringert werden, ohne zusätzliche, kostspielige metallurgische Verschleißschutz­ maßnahmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 8 gelöst. Dazu werden mindestens in den Vorwärm- und Mischzonen Schmelzeentspannungsbereiche innerhalb der Schneckenstege einge­ bracht. Insgesamt wird die Schneckengeometrie so ausgelegt, daß nur eine geringe Volumenkonzentration der freien Fläche integriert wird und somit nur ein geringer Druckaufbau bis hin zur Entgasungszone stattfindet.

Die erfinderische Verarbeitung findet daher in den folgenden Schritten statt:

• a) Das Material wird in der Einzugszone wie in einem konventionellen Extruder ein­ gezogen.
• b) In dem oder den Vorwärm- und Mischbereichen sind innerhalb der Schneckenste­ ge seitlich, vorzugsweise in halbrunder Form ausgeführte Ausbuchtungen oder Ta­ schen in die Stege eingebracht. Die Anordnung ist so ausgeführt, daß in den Berei­ chen, in denen sich Schneckenstege der rechten und linken Schnecke direkt gegen­ überliegen, Bereiche einer hohen Scherung direkt gefolgt werden von Bereichen, in denen durch die Tiefe der Taschen eine geringere Scherung bzw. primäre Mi­ schung erfolgen kann.
• c) Im Bereich der Kompressionszone ist es jetzt nur noch notwendig, geringen Druck aufzubauen. Dieser Druck bzw. die Volumenkompression wird benötigt, um die Vakuumzone gegenüber dem Einzug abzudichten, so daß kein Pulver hieraus ent­ zogen werden kann. Der Druck kann niedrig ausgeführt werden; er braucht nur ei­ ne Höhe zu erreichen, um die Schneckengänge in diesem Bereich vollständig vaku­ umdicht zu füllen.
• d) Der Entgasungsbereich wird nicht verändert.
• e) Der Meteringbereich wird in der Standardausführung ebenfalls nicht verändert.

Erfahrungen haben gezeigt, daß zur PVC-Verarbeitung das Pulverkorn vollständig und ganz aufgeschlossen werden muß. Das Pulverkorn aufschließen heißt: es muß in einem Temperaturbereich von 100-150°C (Weich-PVC bis Hart-PVC) geschert wer­ den in der Weise, daß sämtliche in der Pulverkornstruktur vorhandenen Unterstruktu­ ren voneinander gelöst werden.

Durch die erfinderische Lösung wird das Pulverkorn einer kurzen, scharfen Scherung unterzogen und danach entspannt. Hierdurch können lokale Temperaturspitzen, die in den Scherzonen immer auftreten, durch andere Materialien mit niedriger Temperatur ausgeglichen werden. Materialien mit den lokalen Temperaturspitzen haben gleichzei­ tig die Möglichkeit, sich nach der Belastung zu entspannen und auszugleichen.

Wenn dieser Vorgang sehr häufig durchgeführt wird, wird das Material homogen auf ein bestimmtes Aufbereitungsniveau gebracht. Bei hohen Drehzahlen, die üblicherwei­ se zu erheblichem Temperaturanstieg führen, werden bei dieser Schneckenkonstellati­ on die Massetemperaturen nur geringfügig beeinflußt. Die Schergeschwindigkeit wird dadurch vergrößert, jedoch die Scherzeit verringert, so daß die Scherung insgesamt in diesen kleinen Scherbereichen in ähnlicher Größenordnung verbleibt.

Im Prinzip gilt diese Aussage auch für konventionelle Schnecken, jedoch zeigt die praktische Erfahrung hier, daß insbesondere in den Bereichen der Kompression eine erhebliche Temperaturerhöhung durch hohe Drehzahlen entsteht. Daß diese Tempe­ raturerhöhung bei der erfinderischen Lösung wesentlich geringer ausfällt, ist darauf zurückzuführen, daß sich der Temperaturausgleich in den Taschen sehr positiv aus­ wirkt. Über einen langen Bereich häufig und kurz eingebrachte Scherung führt außer­ dem dazu, daß die Homogenität des Produktes vergrößert wird.

Die Homogenität der Materialaufbereitung ist gleichzeitig ein Kriterium für die Aus­ schöpfung produkt- oder rezepturspezifischer Materialeigenschaften. Das deutet, daß bei besserer Produkthomogenität gleichzeitig eine gleichmäßigere Gelierung stattfinden kann und somit ein höherwertiges Endprodukt erzeugt wird.

Dichtkämmende Doppelschneckenextruder haben in der Regel einen hohen Ver­ schleiß. Die Erfahrung hat gezeigt, daß dieser Verschleiß je höher ist, desto höher der Druck in der Schnecke ist. Er ist ebenso höher, wenn die Schneckenstege schmaler sind, das heißt in der Kompressionszone. Bei Auslegungen mit hohen Steigungen der Stege erhält man gewünschte, verschleißgünstige breite Schneckenstege insbesondere in der Aufwärmzone. Diese breiten Schneckenstege sind prädestiniert, den Verschleiß zu reduzieren und gleichzeitig geeignet, um Taschen für die erfinderische Lösung auf­ zunehmen.

Die verfahrenstechnische Ausführung der erfinderischen Lösung führt dazu, daß auch Schneckenstege mit einem wellenförmigen seitlichen Verlauf der Stege hergestellt werden, wobei die Berg- und Talebene der gegenüberlaufenden Schnecke jeweils um die halbe Wellenlänge versetzt angeordnet ist.

Während bei der bisherigen Betrachtung ausschließlich die Flankenspalte mit entspre­ chenden Scher- und Beruhigungsbereichen 15 + 16 ausgeführt waren, ist dies ebenso mit dem Walzenspalt 17 möglich. Beim Einbringen von Taschen oder Vertiefungen im Bereich des Walzenspaltes muß grundsätzlich beachtet werden, daß der Kern in seiner Grundfestigkeit nicht zu sehr geschwächt wird. Anderenfalls ist die Wirkung sehr ähnlich zu der einer Einbringung im Bereich der Flankenspalte.

Durch die Einbringung der entsprechenden Vertiefungen werden der Druckaufbau und die daraus resultierenden Spreizkräfte im Bereich der Misch- und Scherzone er­ heblich reduziert. Umgekehrt wird die Einbringung der Scherung insgesamt vergrö­ ßert.

Es hat sich gezeigt, daß das Einbringen von lokalen Spaltvergrößerungen ebenfalls im Bereich der Kompressions- oder der Meteringzone Vorteile bringt. Dies sind insbe­ sondere Anwendungen, bei denen sehr hoch gefüllte Rezepturen mit einem entspre­ chend starken Druckaufbau eingesetzt werden. Der Druckaufbau wird durch das Ein­ bringen von Taschen reduziert. Dementsprechend wird der Verschleiß reduziert, ohne daß der Temperaturverlauf zu hoch wird.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Die in Fig. 1-4 dargestellten schematischen Vorrichtungen zeigen den prinzipiellen Aufbau. Die Doppelschnecken 1 + 2 sind in einen Zylinder (nicht dargestellt) eingebaut und können sich sowohl gegen- als auch gleichläufig bewegen. Sie sind miteinander kämmend. Sie werden angetrieben über die Schäfte 3 + 4. Über die Länge gibt es die Zonen: Einzugszone 5 + 6, Vorwärm- und Mischzone 7 + 8, Kompressionszone 9 + 10, Entgasungszone 11 + 12 und Meteringzone 13 + 14. Die Figur ist nicht maßstabgerecht.

In Fig. 2 ist das Prinzip des Stegverlaufes bei gegenläufigen Doppelschneckenextru­ dern dargestellt. 1 + 2 zeigen einen Ausschnitt der rechten bzw. linken Schnecke, die durch die beiden Flankenspalte 15 + 16 sowie den Walzenspalt 17 voneinander getrennt sind. Im engsten Bereich der Spalte liegen sich die Schnecken während der Drehbe­ wegung in einem parallelen Abstand gegenüber und verursachen somit durch die Drehbewegung eine Scherung. Der Scherspalt 20 wird somit durch die Begrenzungen 18 + 19 charakterisiert. Da die Seiten der Schneckenstege 18 + 19 "geradlinig" verlau­ fen, entsteht ein annähernd paralleler Scherspalt.

Bei der erfinderischen Lösung, wie sie in Fig. 3 schematisch dargestellt wird, wer­ den in die Schneckenstege taschenartige Vertiefungen 30 eingefräst. Diese Vertiefun­ gen gehen vorzugsweise senkrecht zur Schneckenachse vom Außenrand des Schnec­ kensteges bis zum Schneckengrund in den Steg hinein. Am Schneckengrund sind sie grundsätzlich abgerundet. Sie können jedoch auch unter einem Winkel eingebracht werden, so daß entsprechende scherenartige Überlappungen bei dem Spaltdurchgang entstehen.

Aus Fig. 3 wird deutlich, daß bei gegenüberliegenden Schneckenstegen Bereiche lokal hoher Scherung 31 mit Bereichen lokal niedriger Scherung 32 miteinander wechseln. Der Scherspalt 23, in Fig. 4 in idealisierter Form dargestellt, hat wech­ selnde Bereiche.

Versuche haben gezeigt, daß die taschenartigen Vertiefungen 32 in ihrer Ausführung zu einer Vergrößerung der Spaltweite vom ursprünglichen Spalt 29 auf die neue Spaltweite 24 zu sehr guten Ergebnissen führen. Die Spaltweite 24 beträgt vorzugs­ weise 150% von 29. Die Länge der Taschenbreite 27 im Verhältnis zur ursprünglichen Stegfläche 28 sollte 15%-35% bevorzugt betragen. Wichtig bei der Anordnung der Taschen ist es, daß sie so angeordnet sind, daß möglichst ursprüngliche Stegflächen mit einer gegenüberliegenden Tasche zusammentreffen, so daß zwischen den gegen­ überliegenden Taschen immer ein Bereich ursprünglicher Scherung bleibt. Dies hat den Vorteil, daß die Taschen freigespült werden und hier keine Ablagerungen entste­ hen.

Claims (9)

1. Extrusionsvorrichtung zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere von PVC, bestehend aus einem Zylinder und mindestens zwei mit­ einander kämmenden Schnecken, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich 10% bis 70% der Schneckenlänge vom Einzug aus betrachtet in mindestens ei­ ner der Schnecken in den Stegwänden seitliche Ausbuchtungen bzw. Taschen und/oder im Kernbereich zumindest der einen Schnecke im sogenannten Wal­ zenspalt eingebracht sind, so daß die Spalten in der Größe pro Schneckendre­ hung variieren.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Ausnehmun­ gen oder Taschen in den Stegen radial eingebracht wurden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen unter einem Winkel zur radialen Richtung in die Stege eingebracht werden, wo­ bei der Winkel in beiden Schnecken um nicht mehr als +/-45° variiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der eingebrachten Taschen das 0,25- bis 2,5fache des Spalte beträgt, vorzugsweise 0,4-0,8% der Spaltweite.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Stege in Richtung der Schneckensteigung, gemessen an den Positionen der Taschen, 65 bis 95% der ursprünglichen Stegfläche beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in mehreren Bereichen entlang der Schneckenachse unterschiedliche Geometrien pro Schneckenumdrehung eingebracht werden.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einzug und der Entgasungszone mehrere halbkreisförmige Ver­ tiefungen pro Schneckenumdrehung im seitlichen Bereich der Stegflanken ein­ gebracht werden.

8. Verfahren zur Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere von PVC, mit kämmenden Doppelschnecken, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens in dem Bereich der Vorwärm- und Mischzone das Material in Berei­ chen des Flankenspaltes und/oder des Walzenspaltes zwischen den kämmenden Schnecken teilweise lokal hoch geschert wird, wobei dieses hoch gescherte Material kurze Zeit danach mit niedriger geschertem Material in breiteren Spalt­ bereichen vermischt wird und die Bereiche lokal hoher Scherung im Wechsel mit Bereichen niedriger Scherung durch Variationen der Flankenspate entste­ hen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche der lokal hohen Scherung und der Entspannungsbereiche nur im Bereich des Wal­ zenspaltes liegen.