DE2166789A1

DE2166789A1 - Verfahren zur materialmischung mit mindestens einem polymeren material

Info

Publication number: DE2166789A1
Application number: DE19712166789
Authority: DE
Inventors: Manfred Deodat Stansfield
Original assignee: Sterling Extruder Corp
Current assignee: Sterling Extruder Corp
Priority date: 1970-09-03
Filing date: 1971-08-28
Publication date: 1976-02-19
Also published as: GB1354146A; DE2143184B2; CA980763A; DE2143184A1; FR2106253A5; GB1354147A

Description

DH-IN*. OIPL.-INa. M. »C. OIPL.-PHYI. DU. OII-L.-PHV». HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBAC H - PATENTANWÄLTE 1 N STUTTGART

Ausscheidungsanineldung

P 21 43 184.5-16

A 41 204 in

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24. April 1975

Sterling Extruder Corporation

901 Durham Avenue

South Plainfield, N.J., USA

Verfahren zur Materialmischung mit mindestens einem polymeren Material

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Materialmischung mit mindestens einem polymeren Material, wobei das Material auf eine für ein Schmelzen ausreichende Temperatur erhitzt und extensiv gemischt wird.

Aus der CH-PS 445 825 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung thermoplastischer Mischungen durch kontinuierliches Homogenisieren bekannt, bei der ein äußeres Gehäuse eine innere zylindrische Bohrung ohne jede QuerSchnittsveränderung oder Nuten und Stegbildung aufweist, in welcher sich eine Schnecke mit unterschiedlichen Abschnitten der Steg- und Nutenbildung bewegt. Der Zweck der bekannten Vorrichtung besteht

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darin, bei Mischungen mit scherkraftbedürftigen Bestandteilen, die die Einleitung verhältnismäßig großer Energiemengen erforderlich machen, in einem Temperaturbereich zu arbeiten, der . seine optimale Wirkung bezüglich des Äüflosens der scherkraftbedürftigen Bestandteile gewährleistet. Diese Aufgabe wird bei der bekannten Vorrichtung dadurch gelöst, daß jeweils dann, wenn eine entsprechende Erhitzung stattgefunden hat, wieder neue und eine wesentlich geringere Tempratur aufweisende Mischungsbestandteile in das System eingeleitet v/erden, wodurch es insgesamt zu einer Kühlung kommt. Die Hitze wird daher bei dieser Vorrichtung dadurch entfernt, daß periodisch neues zusätzliches Material beigegeben wird, das entwiekelte Wärme aufnehmen kann. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung die Notwendigkeit einer ganz speziellen Anpassung an die jeweiligen Komponentenanteile der Endmischung, denn da einige Materialien an späteren Zwischenstufen eingeführt werden, können diese nicht den gesamten Bearbeitungsvorgang mitmachen.

Eine weitere bekannte Schneckenpresse zur Aufbereitung polymerer Materialien läßt sich der DL-PS 72 898 entnehmen; bei dieser bekannten Schneckenpresse wird das eingegebene Material zunächst nach Erhitzung in den Schneckengängen extensiv gemischt und anschließend unter Einwirkung einer Scherwirkung intensiv gemischt. Auch hier weist das Gehäuse lediglich eine zylindrische Innenbohrung auf, die die Nuten und Stege bildende Schnecke aufnimmt. In besonderer Ausgestaltung sind dabei die intensiven Mischbereiche in der Weise gebildet, daß in Aussparungen des Schneckenkerns eine Anzahl oder mehrere Reihen von Kugeln oder sonstigen Rollen oder kegelartig ausgebildeter Elemente angeordnet sind, die mit geringem radialem Spiel auf der Bohrungsinnenwand des Gehäuses ablaufen. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird während des intensiven Mischens gekühlt, da bei diesem Mischen auf molekularer Ebene besonders intensiv auf das Material eingewirkt wird.

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Des weiteren ist aus dem GB-PS 842 692, siehe beispielsweise die Figuren 11 und 12, eine Vorrichtung zum Aufbereiten von polymeren plastischen Massen bekannt geworden, die aus einem Gehäuse und einer darin angeordneten, relativ hierzu drehbaren Schnecke besteht, wobei Gehäuse und Schnecke zur Bildung einer extensiven Mischzone mit wendeiförmigen Stegen versehen sind, die schmaler als die dazwischenliegenden Nuten ausgebildet sind und wobei sicl/die Nuttiefe zwischen zwei Stegen in Längsrichtung auf der Schnecke mindestens einmal von einem Minimum zu einem Maximum bzw. im Gehäuse komolementär von einem Maximum zu einem Minimum ändert, und wobei schließlich die gemeinsame Hüllfläche der Schnecken-und Gehäusegänge zylindrisch ist. Nachteilig ist bei dieser bekannten Vorrichtung, daß sie im wesentlichen nur in der Lage ist, eingegebene Materialien miteinander zu vermischen, jedoch die Materialien nicht durch eine intensive Mischwirkung, auf deren Mechanismus weiter unten noch genauer eingegangen wird, aufzubereiten. Die Kühlung dieses bekannten Systems ist nicht erwähnt.

im Vorhergehenden ist eine Unterscheidung zwischen Schneckenpressen oder Extrudern gemacht, die eine äußere Vermischung des Materials, also eine extensive Mischung bewirken und solche Vorrichtungen, die eine innere Mischwirkung oder eine intensive Mischung durchführen; dabei gibt es auch Vorrichtungen, die, wie die zuletzt erwähnte DL-PS 72 898, beide Mischarten durchzuführen in der Lage sind. Die extensive Mischung umfaßt dabei im allgemeinen das Dispergieren von eingegebenen Materialien zu einer homogenen Mischung und die einwandfreie Vermischung der einzelnen Bestandteile, also von Farbstoffen, Füllstoffen u.dergl. während die intensive Mischung auf eine Scherwirkung der gemischten Materialien abstellt. Bei der ex tensiven Mischung sind die Stege der Gewinde von Gehäuse und Schnecke mit Bezug auf die

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zwischen ihnen gebildeten Nuten schmal gehalten, so daß nur ein Minimum eng benachbarter Flächen von Gehäuse und Schnecke gebildet wird, die bei jeder Schneckendrehung.aneinander vorbeigleiten. Dies bewirkt gleichzeitig nur eine geringe Scherwirkung auf die Materialien bei gleichzeitiger extensiver Mischung. Bei der intensiven Mischung sind die Stege der miteinander in Wirkverbindung tretenden Flächen von Gehäuse und Schnecke relativ breit und im engen Abstand zueinander zugeordnet, so daß auf das zwischen ihnen hindurchgleitende Material eine sich bis in den Molekularbereich auswirkende Scherwirkung ausgeübt wird.

Eine Schneckenpresse zur Verarbeitung thermoplastischer Massen ist weiterhin noch bekannt aus der DT-AS 1 037 69 8, bei der ebenfalls eine extensive Mischzone vorgesehen ist, an welche sich eine konisch verjüngende intensive Mischzone anschließt. (Siehe Figur 2). Das die Schnecke umgebende Gehäuse ist hier ebenfalls wieder lediglich mit einer zylindrischen Innenbohrung ohne jede Nutung ausgebildet, auch ist die Nuttiefe zwischen den Stegen in Längsrichtung des Systems konstant. In-sofern ist die extensive Mischwirkung bei dieser bekannten Anordnung nur sehr gering; die vor dem intensiven Mischbereich angeordnete Schnecke mit starker Steigung und schmalen Stegen dient ^ im wesentlichen zur Heranförderung des Materials zum intensiven Mischbereich. Beim intensivem Mischbereich sind'keine Stege mehr vorgesehen, sondern im Gehäuse und auch im Schneckenkörper sind parallel zur Achse Rillen angeordnet, die Knetkörper

ihre

bilden und über/gesamte Länge mit gleichbleibendem, etwa halbkreisförmigem Querschnitt ausgeführt sind. Bei dieser bekannten Vorrichtung ist gleichzeitig eineAxialverschiebung der Schnecke gegenüber dem Gehäuse möglich. Die Axialverschiebung dient zur Veränderung des Spaltabstandes, wodurch sich eine

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feinfühlige, jeweils der zu verarbeitenden Masse anpaßbare Temperatureinstellung ermöglichen läßt.

Weitere Vorrichtungen zum Aufbereiten von polymeren plastischen Massen lassen sich dann noch der US-PS 2 754 542, 2 744 287 und der DT-Gbm 1 977 183 entnehmen. Bei der-US-PS 2 754 542 schließt sich an die extensive Mischzone eine intensive Mischzone an, die gebildet ist aus einer Vielzahl von kleinen Walzen, die an der Innenfläche der Gehäusebohrung abrollen und in komplizierter Weise über ein Getriebe mit Sonnenrädern und Planetenrädern angetrieben werden. Die Bohrung des Gehäuses ist zylindrisch glattflächig ausgebildet. Der extensive Mischbereich vor dem intensiven Mischbereich ist so ausgebildet, daß der freie Querschnitt des Nutgrundes der Schnecke sich in Richtung auf den intensiven Mischbereich allmählich verringert.

Das System der US-PS 2 744 2 87 entspricht im. wesentlichen dem Schneckenpressenaufbau der eingangs erwähnten britischen Patentschrift 842 692, es ist kein intensiver Mischbereich vorgesehen, jedoch ergibt sich aus dieser US-Patentschrift das System von Doppelextrudern als bekannt. Das allmähliche Abnehmen oder die allmähliche Veränderung des freien Querschnittes zwischen Gehäuse und Schnecke ist dann schließlich noch aus der DT-Gbm 1 977 183 bekannt.

Nachteilig ist insgesamt bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren, daß sie jeweils in spezieller Weise hinsichtlich des Aufbaus ihrer Flächen, der Temperatur und der Arbeitsgeschwindigkeit materialbezogen sind und daher nur einen engen Anwendungsbereich aufweisen. Die bekannten Systeme sind zur Vermischung von polymeren plastischen Massen, die aus sehr vielen

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Materialien bestehen und bei denen auch die molekulare Gewichtsverteilung verändert werden soll, nicht geeignet, denn sie sind nicht in der Läge, die polymeren Materialien mit einer fortschreitenden stufenlosen Erhöhung des Scherbetrags bis zu einem bestimmten Maximum, das sich auch noch verändern läßt, zu vermischen, wobei gleichzeitig eine sehr gute intensive Mischung erzielt wird. . " ,

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Materialmischung mit mindestens einem polymeren Material anzufc geben, welche die Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet und sämtlichen arbeitsmäßigen Erfordernissen auch bei der Behandlung unterschiedlicher Kunststoffmaterxalien gerecht wird, wobei diese Kunststoffmaterialien insbesondere auch in einwandfreier Weise einer intensiven Mischung und sorgfältigen Scherbehandlung unterworfen werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von dem eingangs genannten Verfahren und besteht erfindungsgemäß darin, daß dem Material während des extensiven Mischungsvorganges zur Verhinderung einer nennenswerten Viskositätsabnahme und zur optimalen Einstellung der nachfolgenden Scherarbeit Wärme entzöge wird und daß danach das Material unter Einschluß einer Scher- * wirkung in an sich bekannter Weise intensiv gemischt wird.

Bei der Erfindung ist vorteilhaft, daß diese universell anwendbar ist und in der Lage ist, die eingegebenen Materialien während des V.erärbeitungsvorganges genau zu kontrollieren und einzuregeln. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung und der kontinuierlichen Abnahme des freien Querschnitts zwischen Gehäuse und Schnecke im extensiven Mischbereich gelangt man

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zu einer Vorrichtung, die einen stufenlosen extensivenintensiven Mischer darstellt, mit einer variablen Scherbetrag am Auslaßende, wo das Material schließlich durch eine Matrize extrudiert werden kann.

Mit der Erfindung gelingt die Verbesserung der optischen als auch strukturellen Eigenschaften vieler polymeren Materialien; es gelingt, diese in ihrer molekularen Gewichtsverteilung gleichmäßiger zu machen.

Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1 in schematischer Darstellung einen Querschnitt durch den Einfüllbereich und einen Teil der extensiven Mischzone und

Figur 2 sich anschließend in schematischer Darstellung ebenfalls im Querschnitt das Auslaßende mit dem restlichen Teil der extensiven Mischzone und der intensiven Mischzone.

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Die in den Zeichnungen dargestellte Vorrichtung zum Aufbereiten umfaßt ein inneres schraubenähnliches Element, einen Rotor oder Schnecke 1 und ein äußeres schraubenähnliches Element, Stator oder Gehäuse 2. Die Schnecke ist zur Durchführung einer Umdrehung in dem Gehäuse gelagert, der Antrieb erfolgt vom Motor 3 aus. Schließlich erlaubt die Lagerung der Schnecke auch noch eine axiale Einstellung innerhalb des Gehäuses, und zwar mittels des allgemeinen mit 4 bezeichneten Bauelementes.

Figur 1a zeigt zunächst den Einfüllbereich der Vorrichtung.

W An dieser Stelle wird zu vermischendes Material durch einen Einlaß 5 in das Gehäuse eingegeben. Die Zuführung erfolgt unter Wirkung der Schwerkraft von den Dosieranordnungen 6 und 7. Dabei kann beispielsweise eine Dosieranordnung ein Kunstharz zulief em, während die andere ein Pigment oder ein mit dem Kunstharz zu vermischendes Füllmittel einfüllt. Wenn das zu vermischende Material durch den Einfüllbereich hindurchgelangt ist, wird es entlang der Längsachse der Vorrichtung unter der Wirkung der miteinander in Wirkverbindung stehenden schraubenförmig ausgebildeten Stegen 8 und 9, die sich an Schnecke und Gehäuse befinden, weiterbefördert. Nachdem das Material den weiter unten noch genauer zu beschreibenden Misch- und Arbeits-

Ii Wirkungen ausgesetzt worden ist, wird es am Auslaßende der Vorrichtung wieder herausgeschoben. An dieser Stelle ist eine geeignete Preßmatrize mit einer Extrusionsöffnung vorgesehen.

Die Vorrichtung umfaßt eine extensive Mischzone und eine intensive Mischzone . Gemäß den Figuren erstreckt sich die intensive Mischzone von dem Einfüllbereich der Vorrichtung in Richtung auf das Auslaßende und ist in sechs, mit den Bezugszeichen 1 - IV unterteilte Stufen aufgeteilt. Die intensive Mischzone befindet sich stromabwärts der extensiven Mischzone am Auslaßende der

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Vorrichtung und kann eine oder ebenfalls mehrere Stufen umfassen. In Figur 1 ist die intensive Mischzone mit 11 bezeichnet, die extensive Mischzone mit 21. .

Zusätzlich umfaßt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel Lüftungsabschnitte 22, die zwischen den Endbereichen der extensiven Mischzone angeordnet sind. Der Lüftungsabschnitt weist zur Erleichterung der Entfernung von Gasen, Wasser und anderen flüchtigen Bestandteilen aus dem Material eine Vakuumpumpe 12 auf. Falls erwünscht, kann eine Anzahl getrennter Lüftungsabschnitte zur Erhöhung der abgezogenen Gas- und Wassermengen bzw. der Mengen anderer flüchtiger Bestandteile vorgesehen werden. Die Vorrichtung weist weiterhin noch zonenmäßig unterteilte Wärmeanordnungen und Kühlschlangen auf, die mit 14 und 15 bezeichnet sind und in Längsrichtung des Gehäuses zur Temperaturregelung des durch die Vorrichtung beförderten Materials angeordnet sind. In Zusammenwirken mit dem Aufbau des Gehäuses ist die Schnecke bei 13 mit Bohrungen zum Durchlaß von Kühlwasser versehen.

Bei der Erläuterung des grundsätzlichen Aufbaus der Vorrichtung muß noch erwähnt werden, daß das Gehäuse 2 aus einer Anzahl axialer Segmente aufgebaut ist. Diese Segmente entsprechen in ihrer Länge der Längsausdehnung der verschiedenen Stufen I - IV der extensiven Mischzone und der Länge der Stufen der intensiven Mischzone. Dieser Aufbau erleichtert den unterschiedlichen inneren Gewindeaufbau, worauf weiter unten noch genauer eingegangen wird.

Das schraubenförmige bzw. schneckengangartige Gewinde von Schnecke und Gehäuse in der extensiven Mischzone besteht aus Stegen und aus angrenzenden Ausnehmungen (Nuten), wobei die Stege schmaler als die Nuten sind, Vorzugsweise sind die Stege so schmal, wie es strukturmäßig möglich ist, so daß.die auf diese

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Weise dabei gebildeten sich gegenüberliegenden Flächen auf ein Minimum beschränkt sind.. Zusätzlich sind die Stege auf Gehäuse und Schnecke so ausgebildet, daß sie in konzentrischen zylindrischen Flächen liegen und eine zylindrische Grenzfläche bilden bzw. gemeinsam haben, die durch die gestrichelt eingezeichnete Linie 17 gekennzeichnet ist.

Jede Stufe der extensiven Mischzone weist in Abhängigkeit von der durchzuführenden Mischarbeit in bevorzugter Form eine bestimmte schraubenförmige Ausbildung auf. Auch sind die Gewinde von Schnecke und Gehäuse im Einzelbereich und in dem Lüftungsabschnitt 22 der Vorrichtung so konstruiert, daß sie mit den anderen gewindemäßigen Abschnitten zusammenarbeiten, um die gewünschte Mischung und Bearbeitung des durch die Vorrichtung geführten Materials zu bewirken.

Wie in Figur 1a dargestellt, ist die Schnecke im Einfüllbereich der Vorrichtung mit tiefen Nieten versehen, während die innere Oberfläche des umgebenden Gehäuses glatt ausgebildet ist. Vorteilhafterweise ist die Nuttiefe der Schnecke im Einfüllbereich der Vorrichtung am größten, um die Einführung eines breiten Materialanteils ohne die Notwendigkeit eines Einfülltrichters mit Stopfanordnung zu erlauben. Da das Schneckengewinde im Einfüllbereich den in Figur 1 dargestellten Steigungswinkel aufweist, ist auch die Einführung einer größtmöglichen Materialmange erleichtert. Hinsichtlich des konstruktiven Aufbaues entspricht die Steigung der Schneckenschraube im Einfüllbereich der Vorrichtung vorteilhafterweise ihrem Durchmesser, wobei das Gewinde eingängig ausgeführt ist. Bei einem solchen Aufbau können Kunststoffgranulate oder Pulver, Pigmente oder Füllmittel in Anteile bis zu 50 Gewichtsprozenten und in manchen

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Fällen auch höher getrennt oder zusammen als Vormischung in den Einfüllbereich der Vorrichtung eingeführt werden.

Nachdem das Material in den Einfüllbereich der Vorrichtung hineingefallen ist, wird es entlang der Schnecke zu den extensiven Mischzonen der Vorrichtung geführt und durch die verschiedener Stufen I - VI geleitet. Wie in den Zeichnungen dargestellt, befinden sich die ersten vier Stufen stromaufwärts des tüftungsabschnittes 22, während sich die nächsten beiden Stufen stromabwärts desselben befinden. In den stromaufwärts gelegenen Stufen bewirkt das extensive Mischen allgemein ein Schmelzen und Vermischen des Materials und ein Vornetzen jeglicher Additive. In den stromabwärts gelegenen Stufen wird das Material weiterem Mischen unterworfen, um in geeigneter Weise für die intensive Mischzone vorbereitet zu; werden.

In Stufe I der extensiven Mischzone sind Schnecke und Gehäuse so aufgebaut, daß sie das aus den tiefen Nuten des Einfüllbereiches stammende Material leicht aufnehmen und ein extensives weitgreifendes Vermischen, V erschmelzen und Einkapseln von Pigment- bzw. Füllstoffen beginnen. Insbesondere sind die Nuten von Schnecke und Gehäuse so aufgebaut, daß das Material von der Schnecke zum Gehäuse übergleitet. Aus diesem Grunde verringert sich die Nuttiefe der Schnecke von einem Maximum zu einem Minimum, während die Tiefe der gegenüberliegenden Nuten des Gehäuses von einem Minimum zu einem Maximum anwächst. Weiterhin ist die Schnecke in Stufe I mit einem Gewinde der gleichen Steigung wie das Gewinde im Einfüllbereich der Vorrichtung versehen, während das Gewinde eine zweigängige Gewindeanordnung aufweist. Schließlich wird die kumulative Gesamtnuttiefe oder der freie Querschnitt zwischen Schnecke und Gehäuse fortschreitend geringer gemacht, je näher man zum Auslaßende der Vor-

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richtung gelangt. Der abnehmende freie Querschnitt von Schnecke und Gehäuse in Stufe I ist durch die nicht parallel zueinander verlaufenden, gestrichelt dargestellten Linien 18 und 19 dargestellt, die tangential zu den Bodenflächen der Nuten in Schnecke und Gehäuse ausgezogen sind.

Nachdem das Material durch die Stufe I gelangt ist, tritt es in Stufe II ein, wo es vom Gehäuse zur Schnecke zurückbefördert wird. Aus diesem Grunde wird das Gehäuse mit Nuten abnehmender Tiefe versehen, während sich die Tiefe der Nuten der ^ Schnecke vergrößert. Um weiterhin eine intensivere Bearbeitung ^ des Materials in Stufe II zu bekommen, verringert sich der Steigungswinkel der Schnecke, wobei eine ein- oder zweigängige Gewindeanordnung verwendet wird, während das Gehäuse seine zweigängige Gewindeanordnung beibehält. Wie in Stufe I nimmt der freie Querschnitt von Schnecke und Gehäuse in Stufe II progressiv ab.

In Stufe III wird das Material nochmals von Schnecke zu Gehäuse übergeleitet, wobei sich die Nuttiefe der Schnecke von einem Maximum zu einem Minium verändert und die des Gehäuses von einem Minimum zu einem Maximum ansteigt. In Stufe III setzen sich die Gewindegänge mit dem gleichen Steigungswinkel wie in Stufe II fort. Demgegenüber verändert das Gehäuse sein Gewicht von einer zweigängigen in eine eingängige Anordnung, nm die Intensität des Mischvorganges zu verstärken. Wie in den vorhergehenden Stufen nimmt der freie Querschnitt wiederum zur weiteren Verstärkung der Mischwirkung stufenweise ab.

In Stufe IV gelangt das Material wiederum von dem Gehäuse zur Schnecke zurück, indem eine geeignete Nutkonfiguration verwendet wird, während sich die Verringerung des freien Querschnitts

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zur weiteren Intensivierung des Mischvorganges des Material, fortsetzt. In Stufe IV bleibt der Steigungswinkel des Gehäuses der gleiche wie in Stufe III. Bei der Schnecke wird jedoch der Steigungswinkel zur Bewirkung eines optimalen Materialtransportes und zur angemessenen Zuführung des Materials in den Lüftungsabschnitt vergrößert.

Die besondere Konfiguration der Gewinde von Schnecke und Gehäuse in Stufen I - IV kann für unterschiedliche Materialien und zur Erzeugung unterschiedlicher Mischwirkungen verändert werden. In jedem Falle entspricht jedoch die von den Stegen von Schnecke und Gehäuse gebildete Grenzfläche einem Zylinder und der freie Querschnitt nimmt in Richtung auf das Auslaßende des Apparates progressiv ab. Beispielsweise kann, nachdem das Material aufgelöst und jegliches Pigment oder Füllmittel in den Stufen I und II eingekapselt worden ist, die Intensität des Mischvorganges vergrößert oder verringert werden, wie gewünscht, indem man die Konfiguration bzw. den Aufbau der miteinander in Wirkverbildung stehenden Gewinde von Stufe III und IV so verändert und abstimmt, daß eine relativ homogene Mischung erzeugt wird und sichergestellt wird, daß die Additive vollständig vorgenetzt werden.

Nachdem das Material durch die Stufe IV gelangt ist, wird es einer Lüftungswirkung unterworfen, um eingeschlossene Luftfeuchtigkeit oder andere flüchtige Bestandteile zu entfernen. Die Lüftung kann direkt in die Atmosphäre hinein erfolgen oder von einer Vakuumpumpe 12 bewirkt werden. Wo ein Lüftungsabschnitt verwendet wird, befindet sich die Nuttiefe der Schnecke in diesem Abschnitt vorteilhafterweise auf maximaler Höhe, wobei der Mischvorgang in den zu beiden Seiten liegenden Stufen erfolgt. Durch Verwendung eines Lüftungsabschnittes in der

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Vorrichtung wird nicht nur Luft und Feuchtigkeit entfernt, es wird auch zusätzlich der Mischvorgang des Materials stromabwärts des Lüftungsabschnittes verbessert. Das ist deshalb möglich, weil die Entfernung von Luft und Feuchtigkeit es ermöglicht, daß die Scherwirkung , die sich stromabwärts des Lüftungsabschnittes auswirkt, direkt auf das Pigment, die Füllstoffe und andere Agglomerate in dem Material übertragen wird ohne den abfedernden Effekt, den eingeschlossene Luft, Feuchtigkeit und andere leichtflüchtige Bestandteile erzeugen.

fe In Stufe V ist die Nuttiefe der Schnecke an dem unmittelbar an den Lüftungsabschnitt angrenzenden Teil die gleiche wie die Nuttiefe ^^er Schnecke im Lüftungsabschnitt. Diese Nuttiefe verringert sich jedoch progressiv von einem Maximum zu einem Minimum in Richtung auf das stromabwärtige Ende der Stufe V, während die Tiefe der gegenüberliegenden Nuten des Gehäuses sich umgekehrt von einem Minimum einem Maximum annähert. Entsprechend den vorherigen Stufen der extensiven Mischzone nimmt auch hier der freie Querschnitt von Schnecke und Gehäuse progressiv in Stufe V ab. Die Nuttiefe des Gehäuses am stromabwärtigen Ende von Stufe V bestimmt sich aus der maximalen Scherarbeit und aus der erwünschten Pumpwirkung. Je flacher die Gesamtnuttiefe oder der freie Querschnitt an der ,

w stromabwärtigen Seite von Stufe V ist, um so höher ist die erreichte Pumpwirkung. Eine Verstärkung der Pumpwirkung ist vorbereitend zu dem Einleiten des Materials in die intensive Mischzone der Vorrichtung erwünscht.

Anschließend gelangt das Material dann in die letzte Stufe VI der extensiven Mischzone der Vorrichtung. Hier sind die Nuten von Schnecke und Gehäuse an die Schnecke übergeben. Auch ver-

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ringert sich der freie Querschnitt in der Stufe VI wieder in Richtung auf das Auslaßende der Vorrichtung.

Da die intensive Mischzone so aufgebaut ist, daß der Scherbetrag zwischen 50 und 5000 Reziproksekunden liegt, kann der freie Querschnitt der Stufe VI unmittelbar stromaufwärts der intensiven Mischstation einen Wert aufweisen, daß ein Scherbetrag erreicht wird, der gleich ist dem unteren Bereich der Scherbeträge, die in der intensiven Mischzone erzeugt werden. Genauer gesagt ist der freie Querschnitt in Stufe VI unmittelbar vor bzw. stromaufwärts der intensiven Mischzone gleich oder größer dem maximalen Abstand, der zwischen den zusammenwirkenden Flächen von Schnecke und Gehäuse in der intensiven Mischzone vorliegt. Bei einem solchen Aufbau kann das Material einem Scheranteil unterworfen werden, der von einem Wert von etwa 30 bis 500 Reziproksekunden progressiv anwächst unmittelbar bis vor die intensive Mischzone. In der intensiven Mischzone kann dann die Vorrichtung so eingestellt v/erden, daß das Material einem endgültigen Scherbetrag in dem gewünschten Bereich von etwa 50 bis 500 Reziproksekunden unterworfen wird.

Nachdem das Material durch sämtliche sechs Stufen der extensiven Mischzone geführt worden ist, wird es direkt in den Intensivmischbereich der Stufe 11 eingeführt. In der intensiven Mischzone sind die Windungen von Schnecke und Gehäuse so ausgebildet, daß sie relativ breite Stege mit engen Nuten dazwischen ausbilden, so daß große, miteinander in Wirkverbindung stehende Oberflächen, zwischen denen das Material hindurchgeführt wird, geschaffen werden. Wie Figur 1b entnommen werden kann, sind die Stege von Schnecke und Gehäuse von eng zueinander stehenden, konisch zulaufenden Oberflächen ausgebildet. Darüberhinaus verändert sich der Nuraufbau vorteilhafterweise zweimal zwischen einem Minimum und einem Maximum sowohl

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bei Schnecke als auch bei Gehäuse, um eine Übertragung von Material hin und zurück zwischen Schnecke und Gehäuse zu bewirken. Anstelle des in der Zeichnung dargestellten Nutaufbaues kann es in manchen Fällen wünschenswert sein, die intensive Mischzone mit glatten, konischen oder sonstwie zulaufenden Oberflächen auszubilden. Auf jeden Fall bewirken die großen, in Wirkverbindung stehenden Oberflächen eine gute intensive Mischung des Materials in der letzten Mischstufe der Apparatur. P Das die intensive Mischzone dann verlassende Material wird vorteilhafterweise durch eine geeignete Matrize 10, wie sie in Verbindung mit Extrudern verwendet wird, extrudiert.

Aufgrund der zylindrischen Grenzfläche im Bereich der extensiven Mischzone und der konisch zulaufenden Grenzfläche der intensiven Mischzone kann innerhalb eines weiten Bereiches von Scherbeträgen ein letztes intensives Mischen des Materials durchgeführt werden, ohne daß der Mischvorgang in der extensiven Mischzone nachteilig beeinflußt wird. Veränderungen des Mischvorganges in der intensiven Mischzone werden durch Einstellen der axialen Position der Schnecke mit Bezug aug das Gehäuse h eingeregelt. Bei dem vorliegenden bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine ausreichende axiale Bewegung möglich, um Veränderungen in dem Scherbetrag etwa zwischen 50 bis 5000 Reziproksekunden zu bewirken. Bei bestimmten Materialien können jedoch auch höhere oder geringere Scherbeträge erzeugt werden. Der Scherbetrag, dem das Material in der intensiven Mischzone unterworfen wird, laßt sich auch durch Regelung der Umdrehungs- - geschwindigkeit der Schnecke innerhalb des Gehäuses einstellen, wobei höhare Geschwindigkeiten den Scheranteil vergrößern.

Obwohl Veränderungen in dem axialen Abstand von Schnecke und

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Gehäuse eine Wirkung auf die intensive Mischzone der Vorrichtung haben, ergibt sich dennoch keine nennenswerte Auswirkung auf den Mischvorgang in der extensiven Mischzone, und zwar aufgrund der zylindrischen Grenzfläche zwischen Schnecke und Gehäuse in diesem Abschnitt und aufgrund der schmalen Stege. Eine axiale Bewegung verändert nicht den Abstand zwischen Schnecke und Gehäuse in der extensiven Mischzone. Schließlich läßt sich auch bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Arbeitsgeschwindigkeit mit nur einem geringen Anstieg der Materialtemperatur in dem intensiven Mischbereich erhöhen. Dies ist auf die divergierenden und konvergierenden Wirbel des Materials in den Nuten von Schnecke und Gehäuse zurückzuführen, welche den Hauptmassenfluß des Materials Schicht um Schicht in Kontakt mit den wärmeübertragenden Oberflächen von Schnecke und Gehäuse bringen. Auf diese Weise kann eine gute Turbulenz in relativ viskose Materialien eingeführt werden, ohne während des extensiven Mischvorganges einen übermäßigen Anstieg der Temperatur zu verursachen.

Die zonenartig eingeteilten Wärmeanordnungen und Kühlschlagen in der extensiven Mischzone können zur Regelung von Erwärmung und Kühlung des durch die Vorrichtung geführten Material eingestellt werden. Unterschiedliche Materialien erfordern unterschiedliche Kühlung und Wärmebedingungen während der verschiedenen Mischstufen., Hierbei ist die Kühlung von Bedeutung, die in den Stufen V und VI unmittdbar vor der intensiven Mischzone vorgenommen werden kann. Eine Kühlung des Materials an dieser Stelle verursacht ein Ansteigen seiner Viskosität, was wiederum die Scherarbeit, die dem Material zugeführt wird, verstärkt. Dies bewirkt eine weitere Homogenisierung und ein Verschwinden

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von jeder Art von Massenanhäufungen in dem Material, wie es durch Pigmente oder Füllstoffe verursacht sein kann und bereitet das Material in zweckmäßiger Weise für den letzten intensiven Mischvorgang vor. Zur gleichen Zeit, zu welcher die Scherarbeit verstärkt wird, verringert sich fortschreitend der freie Querschnitt der Nuten in den Stufen V und VI und erzeugt den gewünschten Anstieg in dem Scherbetrag afif einen solchen Wert, der dem unteren Grenzwert des in der intensiven Mischzone erzielten Bereiches entspricht. Anl| dererseits kann der gewindemäßige Aufbau von Schnecke und Gehäuse in Stufe V und VI da verändert v/erden, wo eine Scherarbeit und/oder ein Scherbetnag nicht vergrößert werden oll und wo ein Verschwinden von Ansammlungen oder eine Zerstörung von fibrösen Füllstoffen nicht gewünscht ist; dabei kann auch die Erwärmung und Abkühlung des Materials geeignet eingestellt werden, um die gewünschten Werte zu erzielen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird das in den Einlaß eingeführte Material von der Schnecke aufgenommen und von dem Gehäuse Schicht um Schicht abgeschält, sowie die Nuttiefe der Schnecke abnimmt und die des Gehäuses ^ ansteigt. Sowie dieser Übertragungsvorgang stattfindet, ^ wird die Wirbelwirkung, die in dem Material in den Nuten der Schnecke auftritt, geringer, während die Wirbelwirkung in den Nuten des Gehäuses größer wird. Somit wird alles Material von der Innenseite des Wirbels auf die Außenseite übertragen und umgekehrt, und zv/ar so oft, wie das Material zwischen Schnecke und Gehäuse durchläuft. Dies stellt sicher, daß alles Material, welches durch die verschiedenen Mischstufen läuft, in nahen Kontakt sowohl mit Schnecke als auch Gehäuse kommt, was eine gute Wärmeübertragung zwischen dem gesamten Material und den in ihrer Temperatur geregelten Oberflächen von Schnecke und Gehäuse ermöglicht, ohne daß Wärmenester gebildet werden.,

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Somit, läßt sich zur Herstellung verschiedener Farbkonzentrate und Grundmischungen eine einzige Vorrichtung verwenden. Pigmente können den Harzen entweder in geringer Konzentration in Bruchteilen eines Prozentes, in mittleren Konzentrationen oder in hohen Konzentrationen hinzugefügt werden. Es is.t dabei lediglich notwendig, Die Einstellung der Zulieferungsdaten zu ändern, sowie Temperaturprofile, Arbeitsgeschwindigkeiten und den Abstand zwischen Schnecke und Gehäuse entsprechend einzustellen, um eine große Anzahl und Verschiedenheit polymerer Materialien zu verarbeiten. Kunststoffe oder Harze, hochdichtes und niedrigdichtes Polyäthylen, Styrol für allgemeine Zwecke oder hochfestes Styrol, PVC, Polpropylen und Polycarbonate können in der gleichen Maschine durch einfache Einstellung der Arbeitsbedingungen verarbeitet werden.

Zusätzlich können Grundmischungen bzw. vordispergierte Farbkonzentrate wie beispielsweise Druckerschwärze oder Ruß (mittleres Kanalschwarz oder feines Ofenschwarz) oder andere Pigmente mit zusätzlichem Kunstharz in entsprechenden Arbeitsbedingungen vermischt werden. Es sind keine speziellen Extruder oder Kombinationen von Mischern und Extrudern erforderlich. Dies trifft auch zu hinsichtlich des Schmelzens und

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Extrudieren von Materialien wie beispielsweise hochdichtes lineares Polyäthylen und dem Schmelzen und Vermischen verschiedener Ilarzkomb.inationen mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Aufgrund der vorliegenden Verbindung kann die Verarbeitung aller dieser Materialien in der gleichen Vorrichtung

/ · ausgeführt werden, wobei der Anteil der Scherarbeit,

dem das Material unterworfen werden soll, entsprechend geregelt v/erden kann, und zv/ar je nachdem,ob das System einen hohen Scherbetrag und eine hohe Temperaturbehandlung oder Jk einen niedrigen Scherbetrag und eine niedrige Temperaturbehandlung erfordert.

Eine-Kontrolle der Scherarbeit ist insbesondere bei solchen Harzsystemen notwendig, bei denen, anstelle daß die Scherarbeit mit ansteigendem Scherbetrag ansteigt, aufgrund der Viskosität schneller abfällt, als der Scherbetrag ansteigt. In solchen Fällen ist die Fähigkeit der Anordnung, die niedrigen Scherbeträge bei niedrigen Temperaturen durchzuführen, von ausschlaggebender Bedeutung. Auf diese Weise kann durch Abkühlen des geschmolzenen Harzes gerade oberhalb der Erweichungstemperatur die Scherarbeit ; sogar bei minimalen Scherbeträgen optimal durchgeführt ψ v/erden.

Aufgrund der hervorragenden Wärmeübertragungsfähigkeiten der Vorrichtung und aufgrund der Tatsache, daß der intensive Mischvorgang über einen weiten Bereich von Scherbeträgen variiert werden kann, ist es möglich, viele scherempfindliche

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Materialien zu mischen und zu extrudieren, für welche früher spezielle Ausrüstunysanordnungen erforderlich waren- Beispielsweise kann quervernetztes Polyäthylen durch Mischen von Polyäthylen mit Dicumylperoxid hergestellt werden, wobei der bcheruetray und die Temperatur, der das Material unterworfen wird, entsprechend kontrolliert werden, um'ein vorzeitiges Abbinden auszuschließen.

Auch andere schereranf indliche Materialien, wie vorbeladene, expandierbare Polyäthylenkügeichen, können in der

- Vorrichtung hergestellt v/erden, wobei man das Material unterhalb der Aushärtetenperatur hält, die vorzeitig ein poröses oder schaumiges Material herstellen würde.

Darüber hinaus können mit Glas angefüllte Polypropylenformkörperchen (Kügelchen oder Tabletten) unter Verwendung der

. Vorrichtung hergestellt werden, in dem man geschnitzelte Glasfasern mit dein Polypropylen entweder in Kugel- oder in Tablettenform mischt. Die Glasfasern müssen unzerstört bleiben, um den fertigen Körpern die gewünschte Stärke mitteilen zu können; dies ist - -·

■ möglich, v/eil die Scherbeträge, denen das Material unterworfen wird, begrenzt werden können. Ein weiteres scherempfindlich.es Material, welches in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden kann, ist Hart-

PVC, entweder in pulverförmiger oder in Tablettenform. Dieses Material kann direkt in Röhren oder Folienform extrudiert werden. Indem man die Wärmeübertragung und die Scher-

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betrage des Materiales kontrolliert, wird eine Zerstörung verhindert.

Die Bearbeitung verschiedener polymerer Materialien, wie weiter oben beschrieben, wird im allgemeinen so durchgeführt, daß man das Material in einem trockenen, festen Zustand aufnimmt, üblicherweise befindet sich dabei das Material in granulierter Form, in einem pulverförmigen, flockenförmigen, würfelförmigen oder in einem tablettenähnlxchen Zustand. Es ist auch möglich, geschmolzene polymere Materialien mit Feststoffen und/oder flüssigen additiven Materialien & zu vermischen und zu verbinden.

Es ist möglich, geschmolzenes, in einem Bearbeitungsvorgang hergestelltes Material direkt in die Vorrichtung einzuführen und es mit anderen additiven Materialien entweder in fester oder flüssiger Form zu kombinieren. Beispielsweise kann geschmolzenes Kunstharz aus einem Reaktor direkt der Vorrichtung zur Vermischung mit Farbpigmenten, Antioxidiermitteln, Flammenhinderern und weiteren Zusätzen zugeführt werden. Auch können flüssige Weichmacher, Farbpigmente und andere Additive hinzugefügt und mit PVC ubd Polyamiden in sachgemäßer Weise vermischt werden, ohne daß ein Abbau der Materialien auftritt. In ähnlicher Weise können heiße Schmelzen, wie beispielsweise P Klebstoffe und Überzüge, die für Papier, Karton und Stoffe verwendet werden, einfach gemischt und hergestellt v/erden. - Ein Beispiel wäre die Vermischung von schwachdichtem Polyäthylen mit einem geeigneten Wachs, das entweder in flüssiger oder granulierter Form oder als Formkörper hinzugefügt wird.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist also darin zu sehen,

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daß eine Anzahl von Bearbeitungsvorgängen an verschiedenen polymeren Materialien durchgeführt werden können und daß sämtliche Bearbeitungsvorgänge von einer einzigen Vorrichtung vorgenommen werden können.

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Claims

a -.T23 24. April 1975 Patentansprüche:

1. Verfahren zur Materialmischung mit mindestens einem polymeren Material, wobei das Material auf eine für ein Schmelzen ausreichende Temperatur erhitzt und extensiv gemischt wird, dadurch gekennzeichnet , daß dem Material während des extensiven Mischungsvorganges zur Verhinderung einer nennenswerten Viskositätsabnahme und zur optimalen Einstellung der nachfolgenden Scherarbeit Wärme entzogen wird und daß danach das Material unter Einschluß einer Scherwirkung in an sich bekannter Weise intensiv gemischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Material vor dem .Erhitzen in einem trockenen, festen Zustand befindet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material aus einem ersten polymeren Materialteil und aus einem zweiten dazu unterschiedlichem polymeren Materialteil besteht.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn-

• zeichnet, daß das polymere Material aus einem Polyvinylchlorid und einem Weichmacher für dieses besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material aus einem polymeren Material und aus einem nichtpolymeren, additiven Material besteht.

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6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material fest oder geschmolzen ist und daß das additive Material entweder fest oder flüssig ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material vor seiner Verbindung mit dem additiven Material in einem getrennten Bearbeitungsvorgang geschmolzen wurde.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein Polyvinylchlorid und das Additiv ein Weichmacher für das polymere Material ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein schwachdichtes Polyäthylen und das Additiv ein Wachs ist.

10.' Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv vor der Verbindung mit dem polymeren Material in einem getrennten Arbeitsverfahren verflüssigt wird,

11. Verfahren nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das polymere Material ein hochdichtes lineares Polyäthylen ist.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekonnzeichnet, daß das Material aus einem ersten polymeren Materialteil und aus einem zweiten Teil besteht, v/elcher von einer Crundmischung gebildet ist, die aus einem zusätzlichen Anteil des ersten polymeren Materials mit vordispergiertem additivem Material darin besteht.

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13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Material Druckerschwärze , Ruß oder ein Farbpigment ist.

14. Verfahren nach. Anspruch 1 oder einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein schersensitives Material ist, welches eine physikalische oder chemische Veränderung eingeht, wenn es kombinierten Scherbeträgen und Temperaturen bestimmter Werte unterworfen wird und daß die kombinierten Scherbeträge und die Temperaturen, denen das Material unterworfen wird, während des gesamten Mischungsvorgangs unterhalb der vorbestimmten Werte gehalten werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das M.aterial ein Polyäthylen und ein Dicumylperoxid einschließt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein vorbeladenes expandiertähiges Polypropylen umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material au:
fasern besteht.

das Material aus Polypropylen und geschnitzelten Glas-

18. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Material ein steifes Polyvinylchlorid ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die anfängliche Erhitzung durch extensives Mischen des Materials erzielt wird.

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20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Material während des extensiven und intensiven Mischens einen vorbestimmten Weg entlang kontinuierlich bev/egt wird.

'21. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherbetrag, dem das Material unterworfen ist, mindestens während des letzten Teils des extensiven Mischvorganges progressiv erhöht wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherbetrag, dem das Material während dos intensiven Mischvorganges unterworfen ist, nicht geringer ist als der Scherbetrag, dem das Material unmittelbar vor dem intensiven Mischvorgang unterworfen ist.

23. Verfahren ,nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Scherbetrag, dem das Material während des intensiven Mischvorganges unterworfen ist, zwischen 50 - 5O00 Reziproksekunden (reciprocal seconds) liegt.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Material während des letzten Teils des extensiven Mischvorganges einem Scherbetrag unterworfen wird, der von einem Wert von etwa 30 bis auf etwa 500 Reziproksekunden anwächst.

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25. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Material unmittelbar vor dem intensiven Mischvorgang abgekühlt wird, um die Scherarbeit, der das Material unterworfen wird, zu vergrößern.

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