DE2017225A1 - Verwendung eines Planetwalzen-Extruders zum kontinuierlichen Überführen von Elastomeren-Mischungen in die Granulatform - Google Patents

Description

Henkel ßtCie GmbH Düsseldorf, den 8, 4. I970

Patentabteilung 'Henkelstraße 67

Bor/St ■ ·.

Patentanmeldung D 3918

''Verwendung eines Planetwalzen-Extruders zum kontinuierlichen überführen von Elastomeren-Mischüngen in die Granulatform"

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Planetwalzen-Extruders mit einer rotierenden Zentralwelle und diese umgebenden und mit ihr gewindeartig verzahnten Planetenkörpern zürn kontinuierlichen Überführen einer aus getrennt einzuspeisenden Komponenten bestehenden, einem Molekülarabbaü sowie einer Vernetzung zu unterwerfenden Mischung von Elastomeren mit festen Zuschlagstoffen in die Granulatform mit Korngrößen von weniger als 5 mm, vorzugsweise für die Herstellung von Lösüngsmittel^Kiebstoff*

Das Granulieren thermoplastischer Massen ist bekannt. Hierfür verwendet man im allgemeinen Extruder der verschiedensten Konstruktionsformen, in denen das meist pulverförmig vorliegende Material zunächst plastifiziert und dann zu einem oder mehreren Strängen geformt und ausgestoßen wird. Unmittelbar beim Austreten des Kunststoffstranges aus dem Extruder oder auch einige Zelt später erfolgt dann mit Hilfe bekannter geeigneter Mittel dessen Zerkleinerung in Granulate.

Dieses bekannte kontinuierliche Verfahren ist jedoch für das Granulieren von Elastomeren, zu denen Kautschuk sowie Butadien- und Chloroprenpolymerisate gehören, nicht ohne weiteres geeignet. Der Grund hierfür ist darin zu sehen, daß bisher keine Extruder-^ Konstruktionen bekannt geworden sind, welche, imstance wären,, die Elastomer-Mischung mit den erforderlichen festen Und meist grobstückig vorliegenden Zuschlagstoffen wie Oxide, z.B. ZnO, MgO, TiO₂, SiO₂ oder auch Ruß, Asbestmehl, Silikate oder ähnlichen Substanzen in einem Arbeitsgang nicht nur

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kontinuierlich homogen zu mischen, sondern vor allem den erforderlichen Molekularabbau zu bewirken, so daß dann die Masse mit dem gewünschten Weichheitsgrad dem Granulierwerkzeug zugeführt werden kann. Man war deshalb bisher gezwungen, diskontinuierlich j beispielsweise unter Verwendung sogenannter Innenmischer oder auch Misehwalzwerke, zu arbeiten (siehe Üllmanns Encyklopädie der technischen Chemie, 3* Auflage, Band 9, Sv 361). Nach mehr oder weniger langer Verweilzeit hierin wird dann die m. Masse den Mischern chargenweise entnommen und !Zerkleinerungsbzw, Granulierungswerkaeugen gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines weiteren Walzwerkes äur Erzeugung einer Platte oder Folie als Zwischenerzeugnis zugeführt.

Die Fachwelt glaubte bisher trotz der offenkundigen Nachteile, dieses diskontinuierliiihe Prinzip auch deshalb nicht verlassen zu dürfen» weil die im einzelnen keineswegs Vollständig geklärten Vorgänge beim Molekularabbau sowie beim Vernetzen von Elastomeren definierte Verweiizeiten in den KnetzOnenerfordern. Bekanntlich erteilen ja kontinuierlieh arbeitende Extruder der geförderten Masse ein mehr öder weniger breites Verweilzeitspsktrum der einzelnen Masseteilchen mit entsprechend unterschiedlichen Abbau- und Vernetzungsgraden sowie Mischwirkungen. Ein wesentlicher Nachteil des Innenniischers besteht auch in der nicht auszuschließenden sögenannfcön Nesterbildung* Es handelt sich hierbei um heterogene Klumpen* welche sich In Ecken und Kanten, vorzugsweise jedoch an den Khetwerkzeugen* festsetzen* am Mischvorgang nicht teilnehmen und deshalb dann zu Inhomogenitäten im Endprodukt führen. Diese unerwünschte Tendenz wird noch dadurch gefördert» daß die Üblichen innenmischer beispielsweise nur mit Produktfüllungsgradert bis zal maximal 60 % betrieben werden können* also ein erhebliches "Leervölumen" während des Betriebes'.aufweisen»

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Nun hat man allerdings auch schon kontinuierlich arbeitende · Extruder zum Fördern von Käutschukmasse verwendet.

Die hierfür eingesetzten Maschinen besaßen keine ausreichende Mischwirkung, so daß diese- von einem zusätzlichen Mischer bewerkstelligt werden mußte." Auch die anschließende Granulierung mußte gesondert mit einer Zerkleinerungseinrichtung durchgeführt werden. Es liegt auf der Hand, daß dieses Verfahren, insbesondere bei kontinuierlichem Betrieb, erhebliche zusätzliche apparative Aufwendungen erfordert. "

Die Aufgabe vorliegender Erfindung bestand deshalb, darin, die bekannten Verfahren zum überführen von Elastomeren-Mischungen in die Granulatform Vorzugspreise für die Herstellung von Lösungsmittel-Klebstoff nach Möglichkeit in einsr einzigen.Vorrichtung kontinuierlich durchzuführen und dabei gleichzeitig die Qualität des Endproduktes durch Vermeidung von Inhomogenitäten zu verbessern.

Angesichts des dargelegten Standes der Technik erschien es zwar nicht völlig ausgeschlossen, das vorliegende Granulierproblem mit einer speziellen Extruder-Konstruktion doch kontinuierlich ^ zu bewältigen. Eine technisch brauchbare Lösung lediglich unter Verwendung einer einzigen Vorrichtung zum Bewirken eines Molekularabbaus sowie einer Vernetzung der aus getrennt zugeführten Komponenten bestehenden Elastomer-Mischung mit anschließendem sofortigem Granulieren konnte.indessen bisher nicht gefunden werden. Dies liegt an dem oben bereits dargelegten Umstand, daß die bekannten Extruder jeweils entweder nur zum Mischen oder nur zum Granulieren der bereits vorgemischten und fertig abgebauten Elastomer-Masse geeignet sind. Andererseits erfordern die bekannten Extruder vielfach auch besondere Einrichtungen,

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um einen störungsfreien Einzug der einzuspeisenden Mischungskomponenten zu gewährleisten. Schließlich gibt es Extruder mit einer oder mehreren Schneckenwellen sowie unterschiedlichen Schneckenprofilen. Eine erfolgversprechende Auswahl war deshalb nicht ohne weiteres möglich.

Um so überraschender war die Feststellung, daß die vorliegende Aufgabe erfolgreich durch die Verwendung eines .Planetwalz-en-Extruders der Bauart Schalker Eisenhütte gelöst werden konnte. Der erfindungsgemäß zu verwendende Planetwalzen-Extruder.ist ausgerüstet mit einer rotierenden Zentralwelle und diese umgebenden, zwischen Zentralwelle und dem Gehäuse angeordneten Planetenkörpern und zwischen den Planetenkörpern angeordneten Verdrängerkörpern, welch letztere jedoch .auch fehlen können, _r wobei die Planetenkörper mit der Zentralwelle gewindeartig . verzahnt sind sowie mit einem austrittsseitigenj eine Lochschei;-be mit davor rotierendem Schneidmesser besitzenden, gekühlten . Granulierkopf (siehe Zeitschrift "Kunststoffe" 58, 19-68, Heft 1., S. 90 - 92). Dieser Planetwalzen-Extruder überführt -kontinkier.-.,. lieh die aus getrennt einzuspeisenden Komponenten he.sjbe;hende, .,., und einem Molekularabbaau sowie einer Vernetzung., zu ,,pn^erwerfen-· de Mischung von Elastomeren, vorzugsweise von Chloroprenp.olyjner.isaten mit festen Zuschlagstoffen, in die erwünschte Granulatform mit Korngrößen von weniger als 5 mm, vorzugsweise, für _; · ,....*■. die Herstellung von Lösungsmittel-Klebstoff.

Es wurde überraschend gefunden^ daß die Überführung der Elasto- . mer-Mischung in die Granulatform durch die Verwendung eines .. Planetwalzen-Extruders der Bauart Schalker Eisenhütte in einfacher Weise nicht nur ein kontinuierliches Verfahren gestattet, sondern daß darüber hinaus die Mischung der getrennt zuzugebenden Mischungskpmponenten zu einem homogenen und leicht, löslichen Endprodukt führt, ein .Umstand,, der eine wesentliQhe Verrainderung;

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der sonst beim Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffmassen bekannten längeren Verweilzeiten in der Mischzone gestattete. Perrier zeigte es sich, daß der erreichte Abbau- sowie Vernetaungsgrad des Elastomeren durch einfache Beeinflussung der Produktverweilzeit in dem Planetwalzen-Extruder zuverlässig und reproduzierbar eingestellt werden kann. Schließlich ist es möglich, das Elastomer unmittelbar beim Austritt aus dem Planetwalzen-Extruder zu granulieren. Hierfür ist es allerdings zweckmäßig, den Granulierkopf, welcher im wesentlichen aus einer Lochplatte und einem davor rotierenden Messer besteht, zu kühlen. Die Temperatur des Produktes an dieser Stelle soll produktabhängig etwa 70° C bis l60° C betragen.

Granuliertes Produkt 1st besonders vorteilhaft, wenn weitere Verarbeitungsstufen damit beschickt werden müssen. Im Falle von Elastomeren-Mischungen, welche für die Herstellung von Lösungsmittel-Klebstoff in Betracht kommen, werden in der Praxis zwecks Erzielung einer möglichst großen Lösegeschwindigkeit durch große Produktoberflächen Korngrößen von weniger als 5 mm, insbesondere Von nicht weniger als 0,5 mm angewandt. Um diese Korngrößen zu realisieren, verwendete man bisher geeignete Zerkleine rungs-; einrichtungen, die jedoch bekanntermatoen zu ungleichförmigen und damit schlecht riesel- und lösefähigen Teilchen führen.

Die Einspeisung des Elastomeren und der festen Zuschlagstoffe in den erfindungsgemäß zu verwendenden Planetwalzen-Extruder erfolgt in bekannter Weise mittels geeigneter Zuteiler, wie beispielsweise Dosierschnecken, Vibratoren, sogenannter Einzugswalzwerken u. dgl.

Zur übertragung der beim Bewirken des Molekularabbaus und des Vernetzens sowie beim Mischen auftretenden Wärmemengen besitzt der Planetwalzen-Extruder eine ausreichende wirksame innere Oberfläche, so daß ein isothermer Verfahrensverlauf gewähr-

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leistet ist, vor allem auch deshalb, weil beim Planetwalaen-Extruder im Gegensatz zum Innenmischer kein "Leervolumen" vorhanden ist, welches den Wärmeübergang behindert. Die jeweils einzustellender* Betriebstemperaturen liegen produktabhängig zwischen etwa 4O^P C und 120⁰C.

Die Verweilzelt der Masse im Planetwalzen-Extruder richtet sich nach dem erwünschten Abbau- sowie Vernetzungsgrad der Mischung, welcher in bekannter Weise durch die Mooney-Viskosität nach DIN 53 523 ermittelt wird. Die Verweilzeit liegt etwa zwischen 0,5 min und 2 min, Sie kann durch Variation der Wellendrehzahl .einreguliert werden. Die im Einzelfall erforrderliehe Drehzahl kann durch einfachen Versuqh schnell ermittelt werden.

Die Vorteile bei der erfindungsgemäßen Verwendung desι Planetwalzen-Extruders gegenüber der Verwendung eines innenmigchers mit nachfolgender Granulierung in einer Schneidmühle werden durch die folgenden Beispiele hervorgehoben: ■

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Beispiel 1 .a ..

Eine Mischung von Polychlorbu£adien mit ZnO und MgO (Gewichtsverhältnis Polymeres.zu Oxyd wie 10 : (0,55 ZnO und 0,45 MgO) wurde im Planetwalzen-Extruder mit 14 Upm und einer Betriebstemperatur von 80° C mit einer Verweilzeit von 90 see umgesetzt und gleichzeitig zu Granulat von ¹I mm 0 verarbeitet. Aus diesem Granulat wurde eine 25 JSige Lösung in Toluol : Benzin , (80 - 110° C Sdp) hergestellt, wobei das Gemisch,85 % Toluol enthielt.. Die Lösung zeigte nach einer längeren Standzeit praktisch keinen Bodensatz nicht gelöster Zuschlagstoffe.

Beispiel 1 b

Der zum Vergleich in einem Innenmischer hergestellte gleiche Ansatz wurde 4 - 5 min geknetet und anschließend auf einem Walzwerk zu einem Pell ausgewalzt, welches dann in einer Schneidmühle geschnitzelt wurde. Die Verteilung der Zuschlagstoffe in der Mischung ist trotz der relativ langen Mischzeit nicht homogen. Der aus diesem Produkt hergestellte Lösungsmittel-Klebstoffansatz zeigte deshalb einen deutlich wahrnehmbaren Bodensatz nicht gelöster Zuschlagstoffe.

Beispiel 2 a

Das gleiche Gemisch wie im Beispiel 1 a (relativer Ausgangs·: mooneywert von 80 = 100 % bei 100° C; *j min nach DIN 53 523) wurde bei einer Temperatur von 105° C und 30 Upm im Planetwalzen-Extruder (Planetenteillänge 52 cm) mit einer Verweilzeit von 1,5 min umgesetzt und granuliert. Das erhaltene Produkt hatte einen Mooneywert von 106 % vom Mooneywert des Ausgangsstoffes ^ welcher 85 Mooney-Einheiten betrug.

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Beispiel 2b

Das zum Vergleich in einem Innenmischer mit 38 1 Totalinhalt hergestellte Produkt gleicher Zusammensetzung wie im-Beispiel 2 a bewirkt bei 60 #iger Füllung des Mischers den gleichen Mooneywert erst nach einer Verarbeitungszeit von 6 min.

Beispiel 3

Ein Gemisch wie im Beispiel 2 a mit einem Mooneywert von 80 Einheiten wird Im Dauerversuch im Planetwalzen-Extruder, (Planetenteillänge 39 cm) mit einer Verweilzeit von 90 see und einer Produktaustrittstemperatur von 130° C durch eine 4 mm Lochscheibe zu einem Granulat verarbeitet. Die im Verlauf von über 3 Betriebsstunden entnommenen Produktproben ergaben einen durchschnittlichen Mooneywert von 77*3 Einheiten mit einer Schwankungsbreite von nur - 2 Einheiten.

Beispiel 4

Ein Gemisch wie im Beispiel 2 a wurde Im Planetwalzen-Extruder (Planetenteillänge 30 cm) mit 25 Upm, einer Verweilzeit von 48 see sowie einer Produktaustrittstemperatur von 150° C über eine Lochscheibe von 4 mm 0. mit 4O2 Löchern granuliert. Das Granulat zeigte einen Mooneywert von JS Einheiten. Der Mooneywert des Ausgangsproduktes war 78 Einheiten.

Beispiel 5 ^e .

6o. Teile eines Naturkautschuks mit einem Mooneywert (L - 2,5) (nach DIN 53.523) von 90 Einheiten wurde mit 40 Teilen eines

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Gemisches von TiO₂ und SiO₂ im Plahetwalsen-Extruder bei l}i Upm mit einer- Verweilzeit von 90 see zur Reaktion gebracht und'mit Hil'fe einer 3 mrn Lochscheibe granuliert. Das erhaltene Produkt hatte eine Produktaustrittstemperatur von 120° C und einen Modney'wert (L - 2,5) von 1Ö7 Einheiten (bei 100° c). Die Milschungskomponenten v/aren beim Verlassen des Extruders im Granulat homogen verteilt.

Das gleiche Gemisch erforderte bei Verwendung eines Innenmischers eine Mischzeit von 17 min zur Erzielung des gleichen Stoffverteilungsgrades. Die Produktaustrittstemperatur war hierbei 130° C,

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Claims (1)

1. Pat ent anspruch

   Verwendung ejines Planetwalzen-Extruders der Bauart Schalter Eisenhütte mit einer rotierenden £entralwelle und diese um« gebenden, zwischen Steritralwelle und dem Gehäuse angeordneten Planetenkörpern und zwischen den Planetenkörpern angeordneten Verdrängerkörparn, welch letztere jedoch auch fehlen kennen, wobei die Planetenkörper mit der Zentralwelle gewindeartig verzahnt sind, mit einem austrittsseitigen, eine Lochscheibe mit davor rotierendem Messer besitzenden, gekühlten Granulierkopf sum kontinuierlichen überführen sinex* aus getrennt einzuspeisenden Komponenten bestehenden und einem Molekularabbau sowie einer Verhetzung aii unterwerfenden Mischung von Elastomeren, vorzugsweise von Ghloroprenpolymeri säten mit festen Zuschlagstoffen in die Granulatform mit Körngrößen von weniger als 5 mm, vorzugsweise für die Herstellung von Lösungsmittel-Klebstoff.

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   (Bornemann)

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