DE2235784B2

DE2235784B2 - Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und sich ähnlich verhaltenden Thermoplasten

Info

Publication number: DE2235784B2
Application number: DE2235784A
Authority: DE
Inventors: Engelbert Gerhard Dipl.-Ing. 5101 Vaalserquartier Harms; Rainer Dipl.-Ing. 7031 Ehningen Hegele; Hans Georg Ludwig Prof. Dr.-Ing. 5105 Laurenberg Menges
Original assignee: Uniroyal GmbH
Current assignee: Uniroyal GmbH
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1972-07-21
Publication date: 1980-10-02
Also published as: CA1016316A; FR2193685A1; SE406294B; GB1440682A; DE2235784A1; FR2193685B1; ATA645173A; JPS4993479A; DE2235784C3; JPS5653500B2; AT358811B; IT991828B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und sich ähnlich verhaltenden Thermoplasten, mit einer einer durchgehend zylindrischen Gehäusebohrung angepaßten, drehbaren und axial ortsfest gelagerten Schnecke, die einen Einzugsabschnitt mit ununterbrochenen Schneckenstegen und einen sich unmittelbar daran anschließenden Misch-und Homogenisierungsabschnitt aufweist, in dem die Schneckenstege unterbrochen sind.

Bei der Verarbeitung von hochviskosen Werkstoffen, z. B. Kautschukmischungen, thermoplastischen Werkstoffen u. dgl. ist man in verschiedener Weise bestrebt, den Werkstoff in einem Extruder mit einer in dem Gehäuse rotierenden Förderschnecke einem Durchknetungs- und Durchmischungsvorgang zu unterwerfen, wobei die Schnecke ein- oder mehrgängig ausgeführt und eine Gangsteigung und Gangtiefe von konstanter oder variabler Art besitzen kann. Durch die FR-OS 20 04 549 ist es bekannt, die Schneckenstege der Förderschnecke in einem Misch- und Homogenisierabschnitt zu unterbrechen und ihre Steigung zu ändern bzw. rückläufig verlaufende Schneckenstege vorzusehen, um das Gut zu zwingen, in wirbelartige Verläufe zu gelangen, die eine Vermischung der verschiedenen Stromfäden bewirken sollen. Die Mittel hierfür befinden sich auf der Förderschnecke und sind dort fest angeordnet. Dadurch ist nur für ein Gut bestimmter Art die optimale Wirkung erreichbar. Für andere Werkstoffe muß die Förderschnecke ausgewechselt werden, was umständlich und teuer ist. Außerdem kann man während des Durchmischungsvorganges keine Regelung vornehmen. Bei dem bekannten Extruder sind ferner wegen des geänderten Steigungsabschnittes bei den unterbrochenen Schneckenstegen nur Durchsätze niedrigen Ausma ßes möglich. Die gegenläufigen Scbneckenstege in der betreffenden Zone ergeben darüber hinaus unerwünschte Temperaturerhöhungen und Schereinwirkungen auf das Material

Bei Mischvorrichtungen zur Verarbeitung von plastischen oder plastifizierten Werkstoffen ist es weiterhin bekannt, Gehäusevorsprünge in der Form von Stiften bzw. Zapfen vorzusehen. In der DE-AS 12 45 584 ist ein Spritz- oder Preßkopf eines Extruders beschrieben, bei

ίο dem an der Schneckenspitze statt der Schneckengänge mehrere schlitzartig unterbrochene Ringrippen angeordnet sind. In den freien Raum zwischen den senkrecht zur Schneckenachse und parallel zueinander verlaufenden Ringrippen ragen Zapfenspitzen hinein,

is die als Fördermesser wirken, durch die der Massestrom zw Ischen den Ringrippen in bezug auf die Abgabemenge und -richtung beeinflußt werden soll. Der von der Schnecke kontinuierlich geförderte Massestrom wird durch diese Anordnung gestaut Die Weiterbeförderung der Masse erfolgt an der Schneckenspitze durch die nach einer Schraubenlinie ausgerichteten Durchbrüche der Ringrippen. Nur ein weitgehend elastischer Werkstoff kann in einer solchen Vorrichtung strömen. Den Fördermessern kommt die Aufgabe zu, für eine Weiterförderung der aus den Schrägschlitzen der einen Rippe ausgepreßten Masse in die Schrägschlitze der anderen Rippe zu sorgen. Die Fördermessor sind hierbei lediglich Leitelemente, mit denen eine Regulierung der Durchtrittsmenge erreicht werden soll. Eine Misch- und

jo Umschichtungsarbeit ist von untergeordneter Bedeutung. Eine mechanische und thermische Vergleichmäßigung des Massestroms ist durch die genannten Fördermesser nicht zu erreichen. Die GB-PS 11 54 635 beschreibt eine Mischvorrich tung nach der Gattung eines Ko-Kneters. Bei den Ko-Knetmaschinen ist die im Zylindergehäuse angeordnete, drehend bewegbare, mit Mischschaufeln oder -flügeln versehene Mischerwelle gleichzeitig auch axial hin- und herbewegbar, wobei diese Maschinen mit gehäusefesten, sich radial erstreckenden Nocken, Zähnen, Stiften oder ähnlichen Elementen versehen sind. Sie sind im wesentlichen auf der gesamten Länge des Zyliindergehäuses in der Regel in zwei oder drei Reihen verteilt angeordnet. Entsprechend ihrer Anzahl und Anordnung sind die Mischschaufeln oder -flügel der Mischerwelle ausgebildet und vorgesehen. In der Regel weisen die Stifte od. dgl. die Form von Teilen eines erhalten gebliebenen, regelmäßig wiederkehrenden Restes eines unterbrochenen Schraubengangsteges oder Schneckensteges auf, wobei die freien Abstände zwischen den benachbarten Einzelstegteilen verhältnismäßig weit bemessen sind. Dies ist beim Ko-Kneter notwendig, weil die Mischschaufeln während der kombinierten Dreh-und Längsbewegung der Mischer-

V) welle in einem bestimmten freien Abstand schraubenlinienförmig an den jeweiligen feststehenden Gehäusenocken vorbeibewegt werden. Nach dem Prinzip der Ausübung von Scherkräften wird das Material durch den Spalt zwischen Mischschaufel und Gehäusenocke gedrückt. Auf diese Weise wird es geknetet. Aufgrund der kombinierten Bewegung der Mischerwelle wird es dann unter das übrige Material gemischt. Wegen der pulsierenden Arbeitsweise ist die Ko-Knetmaschine nicht geeignet, das Material als homogenes Produkt

h5 auszuformen.

Aus der DE-PS 8 79 913 ist eine Knetvorrichtung bzw. Strangpresse mit mehreren in einem Gehäuse sich gleichmäßig drehenden Förderschnecken als bekannt zu

entnehmen, wobei die Förderschnecken gewisse schneckenstegfreie Räume aufweisen, in die zum Gehäuse gehörende umfangsverteilt angeordnete Stauflächen in Form von Gewindestiften hineinragen. Durch diese Stauflächen wird bezweckt, daß der Widerstand der geförderten Masse beim Durchgang durch die stegfreien Räume in weiten Grenzen regelbar ist. Die Schneckenspindeln weisen hintereinander mehrere Abschnitte mit Schneckengängen verschiedener Ganghöhe und gegebenenfalls Gangtiefe auf, wobei die Ganghöhe in Richtung der Bewegung der Knetmasse abnimmt Die Masse soll an einer bestimmten Stelle gestaut werden, um die Verweilzeit derselben zu erhöhen, die sich in Förderrichtung gesehen vor den Stauflächen befindet Dies führt zu einem starken Absenken der Durchsatzleistung. Häufig wird dabei die höchstzulässige Extrudattemperatur überschritten. Die in einem solchen Extruder geförderte Masse wird in den mit ihren Gängen ineinandergreifenden Förderschnekken hohen Quetsch- und Scherkräften ausgesetzt Die verursachte kräftige Durchmischung beruht auf der Wirkung hoher Scherkräfte; denn die Masse soll bei der Förderung in den Schneckengängen wie bei allen Maschinen dieser Gattung von einem großen auf einen kleinen Querschnitt zusammengequetscht werden. Die 2s Stauteile, wie Stifte u. dgl., haben mit der Mischung der Masse insofern nichts zu tun.

Die US-PS 31 28 053 beschreibt eine Anlage mit einem Schneckenförderer für thixotrope und dilatante Kunststoffmischungen, bei der ein Mischer, und Verschneiden der trockenen und benetzten Bestandteile des Mischungsproduktes in verschiedenen Viskositätsgraden im kontinuierlichen Betrieb vorgenommen wird, wobei ein Schneckenförderteil mit einem feststehenden Stiftesystem, eine Hammermühle und Pumpen vorgesehen sind, die für einen erforderlichen Druck und die Verdichtung der Masse sorgen sowie den Transport von einem Teil der Anlage zum anderen veranlassen. Die als Verschneider dienenden Schneckenförderer weisen Stifte oder Zapfen auf, die sich radial erstrecken und zwischen unterbrochene Schneckenstege greifen und quer zur Schneckenachse in einer Ebene liegen. Eine solche Schneckenvorrichtung gehört zu dem Typ der sogenannten Paddelschnecken, die zum Dosieren, Auflockern und Mischen von Flüssigkeiten und Pulvern dienen. Das zu mischende Produkt ist eine Kunstharzmischung, die auf dem Wege durch die Behandlungsstufen stets puinpfähig bleiben muß. Solche Mischungen mit thixotropen oder dilatanten Eigenschaften neigen zur Agglomeration und werden deswegen immer wieder aufgeschlossen und weiter umgerührt und gemischt, wobei das Umrühren der Teilchen mittels der Zapfen im Schneckengang durch Aufbrechen der Agglomeratstükke erfolgt. Hierbei ergeben sich jeweils große Strömungswiderstände und dadurch eine hohe Reibung, ss Die Stifte oder Zapfen bremsen Masseteile ab, schaffen Platzwechsel und schließen größere Teile auf. Wegen der auftretenden Geschwindigkeitsdifferenz wird eine hohe Scherung erzeugt. Der Schneckenförderer, dessen Schnecke Stegdurchbrüche aufweist, denen jeweils eo feststehende, radiale Gehäusezapfen zugeordnet sind, ist wegen des fehlenden Druckaufbaus, einer exzentrischen Auslaßöffnung und eines weit ausgelegten Einzugsbereiches keine mit einem Extruder vergleichbare Maschine. Außerdem ist das behandelte Material b^r> ein niedrigviskoses Massegemisch.

Die DE-OS 21 60 062 beschreibt ein Verfahren und eine Strangpresse zur Regelung der in einem Zyllinder geförderten Kunststoffmenge und bezweckt, die Entgasung der Masse zu verbessern. Zur Erleichterung der Abführung der Gase sind zur Aufspaltung und Zerteilung der in den Zylinder eintretenden Kunststoffmasse eine Reihe von in Durchflußrichtung der Kunststoffmasse unterhalb eines Ringbundes angeordnete Längsrippen und eine Gruppe von vier radialen Stiften vorgesehen, die mit ihrem inneren Ende in den in Durchflußrichtung der Kunststoffmasse unterhalb der Längsrippen gelegenen Bereich in den Raum zwischen Zylinderteil und Förderschnecke ragen. Durch diese beiden Maßnahmen soll der größte Teil der noch in der Kunststoffmasse verbliebenen Gase austreten und zu dem Entgasungskanal strömen. Die Stifte oder Zapfen dienen hierbei lediglich zum Aufspalten und Zerteilen der Masse, um das Ableiten von in dieser eingeschlossenen Gasen zu erleichtern. Bei dem Entgasungs-Schnekkenextruder folgt der Umwandlungszooe, z. B. von Granulat in Schmelze, eine schneckenstegfreie Zone mit einem Druckerhöhungs- und einem Entspannungsabschnitt, in welch letzterem die öffnun?.*n zum Entgasen angeordnet sind Die Zapfen und/oile? Rippen im Bereich der Druckerhöhungszone dienen lediglich zum Auflockern der Masse für ein leichteres Freisetzen der Gase. Bei dem Entgasungs-Schneckenextruder soll zwar auch eine Durchmischung und eine bessere Homogenität der Kunststoffmasse erzielt werden. Die Stifte oder Zapfen, die sich in der Zone des niedrigsten Druckes befinden, veranlassen jedoch lediglich eine leichtere Entgasung, wobei zugleich eine Schenvirkung an der Masse erfolgt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei der Verarbeitung von hochviskosen Kautschukmischungen und sich ähnlich verhaltenden Thermoplasten mit einem Einschnecken-Extruder der eingangs genannten Art unter Vermeidung von wesentlichem Scherfließen durch Aufteilen eine gute Misch- und Homogenisierungswirkung bei verhältnismäßig hohem Durchsatz zu erreichen.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Misch- und Homogenisierungsabschnitt des Lxtruders eine Stiftanordnung zugeordnet ist, bei der in an sich bekannter Weise von dem Gehäuse sich radial erstreckende, zwischen die durchbrochenen Schneckengänge eingreifende, umfangsverteilte Stifte oder Zapfen in mindestens einer quer zur Schneckenachse liegenden Ebene angeordnet sind.

Durch die Verwendung einer bei Schneckenförderern an sich bekannten Anordnung des Stiftesystems bei dem Misch- und Homogenisierungsabschnitt für das Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und sich ähnlich verhaltenden Thermoplasten erhält das Stiftesystem eine unerwartete neuartige Funkticii. In dem von der Masse vollgefüllten Schneckengang werden die Stifte oder Zapfen unter Temperatur- und Druckbeeinflussung von vielen Masseteilchen ohne wesentliches Scherfließen umströmt. Dabei erfolgt eine bedeutende Oberflächenvergrößerung und Aneinanderlagerung von Masseteilchen mit benachbarten oberflächenvergrößerten Masseteilchen, wobei durchsatzdrosselnde und energieumsatzfördernde Wirkungen gegeneinander aufgehoben find. Geschwindigkeitsunterschiede beim Umströmen der Zapfen gleichen sich, ohne störenden Einfluß auszuüben, in der strömenden, sich mischenden sowie mechanisch und thermisch vergleichmäiJigenden Masse aus. Es wird nur soviel mechanische Energie in Wärme umgesetzt, daß die Viskositätsunterschiede zu homogenen Masseteil-

chen führen. Die ruhend festgehaltenen Stifte im vollen, kontinuierlich durchgehend bewegten Schneckenkanal erzeugen in diesem Zusammenhang das Gegenteil von Stau. Sie beeinflussen nicht nur das Mischen und Homogenisieren, sondern auch das intensive Fördern. -, Hierbei ist im Zusammenwirken mit der Schnecke ein Scherfließen infolge von hohen Druckgefällen weitgehend ausgeschaltet. Man erzielt ferner einen hohen Durchsatz bei guter mechanischer und thermischer Homogenität des Extrudates. Der Werkstoffstrom wird Während der Förderung in einer im wesentlichen vorwärtsgerichteten Bewegung einer mehrfachen kurzzeitigen Stromaufteilung und örtlichen Verwirbelung an den Stromaufuiilungsstellen unterworfen. Es ergibt sich die überraschende Wirkung, daß das Material auf eine ΐί einfache Weise mechanisch und thermisch so weit vergleichmäßigt werden kann, daß man ein homogenes Endprodukt von verhältnismäßig niedriger Durchschnittstemperütur erhält. Damit verbunden ist eine geringe spezifische Energieaufnahme und es entstehen 2n keine Probleme mit der Extrudattemperatur, z. B. bei der Verarbeitung von Kautschukmischungen mit beliebigen Anteilen an Naturkautschuk und Füllstoffen. Bei solchen Kautschukmischungen können wegen der geringen spezifischen Energieaufnahme höher be- r> schleunigte Mischungen als üblicherweise verarbeitet werden oder Mischungen mit dem üblichen Vulkanisationsverhalten mit höheren Schneckendrehzahlen extrudiert werden. Beides wirkt sich günstig auf die Wirtschaftlichkeit des Extruderbetriebes aus. Die J" Wirkungen der an sich bekannten Stifte oder Zapfen sind mit den Stauflächen bei den beschriebenen Mischmaschinen, was die tatsächlichen Vorgänge im Extruder betrifft, nicht zu vergleichen; sie sind grundverschieden. Die betreffenden Vorsprünge beim Anmeldungsgegenstand erfüllen eine ganz andere Aufgabe. Die Anordnung von Vorsprüngen an dem Gehäuse gibt die Möglichkeit der Verwendung einer Standardschneckenkonstruktion. Weiterhin erzielt man eine absolute Selbstreinigung an den beteiligten w Maschinenteilen.

Die Stifte oder Zapfen können am freien Wirkende eine strömungstechnisch günstig gestaltete Querschnittsform besitzen und in vorteilhafter Ausgestaltung können die Stifte oder Zapfen mindestens jeweils in ·»> einer Ebene gemeinsam radial verstellbar sein.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachstehend erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Einschnecken-Extruder gemäß der Erfindung im Längsschnitt und im Ausschnitt schematisch.

Fig.2 ist ein Querschnitt nach der Linie U-II der Fig. 1.

F i g. 3 veranschaulicht den Extruder der F i g. 1 im größeren Maßstab, zum Teil in Ansicht, zum Teil im Schnitt mit einer Vorrichtung zur gemeinsamen Betätigung der in den Schneckenraum ragenden Vorsprünge.

Fig.4 zeigt einen Querschnitt nach der Linie IV-IV en der F i g. 3.

Der Extruder 1 mit dem Gehäuse 2 und einem Kühl-oder Heizraum 3 weist eine Förderschnecke 4 auf, die einen Einzugsabschnitt 20 und einen Misch- und Homogenisierungsabschnitt 21 besitzt und an dem Ende vor dem Einzugsabschnitt mil einem nicht dargestellten Antrieb versehen ist. In dem Gehäuse 2 sind in beliebigen Abständen und in beliebiger Anzahl in den Raum 5 zwischen den Schncckcnstcgcn 6 ragende Vorsprünge in Form von Stiften oder Zapfen 7 an mindestens einer Stelle des Misch- und Homogenisierungsabschnittes 21 in einer quer zur Schneckenachse liegenden Ebene 9 angeordnet. Diese Stifte od. dgl. können mit ihrem Gewindeteil in das Gehäuse verschieden tief eingeschraubt werden. An den Stellen, wo die Stifte 7 den Heiz- oder Kühlraum 3 durchdringen, sind Buchsen 8 vorgesehen. Die Stifte sind radial bis dicht an den Schneckenkern verstellbar. Sie können im Schneckenbereich eine zylindrische oder eine andere, misch- oder strömungstechnisch günstige Form haben. Bei dem dargestellten Beispiel sind in jeder Ebene 9 acht Stifte am Umfang verteilt vorgesehen. Die Stifte können aus besonders wärmeleitfähigem Material, z. B. Kupfer-Beryllium, bestehen, so daß eine verbesserte Wärmeabfuhr bzw. für Thermoplaste eine gezielte Wärmezufuhr gewährleistet ist. Die Enden der Stifte, die in den Schneckenbereich hineinragen, können Tropfenform haben. Man kann sie aber auch im Querschnitt viereckig od. dgl. gestalten, um den Wirbelungseffekt zu vergrößern. Der Extruder kann z. B. mit einer ein- oder mehrgängigen förderintensiven Einzugszone und daran anschließender zwei- oder mehrgängiger Misch- und Homogenisierzone mit durchbrochenen Stegen der Schnecke versehen sein, in die die Stifte oder Zapfen hineinragen. Die Gangtiefe richtet sirh nach den Festigkeitswerten des Schneckenwerkstofres.

Die Fig.3 und 4 zeigen im Längs- und Querschnitt eine Anordnung zur gemeinsamen Verstellung der Stifte mindestens einer Ebene 9 in radialer Richtung. Die Verstellung kann in jeweils einer Stiftreihe oder über die Gesamtzahl der Stiftreihen vorgenommen werden.

Die Stifte 7 sind in Backen 10 eingeschraubt und werden zweckmäßig durch Kontermuttern 11 unverdrehbar mit den Backen 10 verbunden. Die Stifte 7 durchsetzen hierbei die Buchsen 8a, die in das Gehäuse 2 eingeschraubt sind. Die Backen sind in Führungen 12 radial verschiebbar, die auf dem Gehäuse 2 mittels der Schrauben 13 fest angeordnet sind. Zur Verstellung dient ein Zahnkranz 14, dessen den Backen 10 zugekehrte Seitenflächen mit Kurvenstücken 15 versehen sind, die in entsprechende Gegenkurven der Backen 10 eingreifen. Der Zahnkranz 14 wird durch ein Ritzel 16 angetrieben, wobei die Ritzel auf einer gemeinsamen Welle 17 drehfest angeordnet sind. Der Zahnkranz 14 mit den Kurvenstücken 15 ist frei drehbar und wird durch einen Überwurfring 18 gehalten. Ein Auffahren der Stifte 7 auf die Schnecke 4 wird durch Ansch'ige oder einen Grenzschalter verhindert.

Die maschinelle Verstellbarkeit der Stifte hat den Vorteil, daß die Regelvorrichtung mit automatischer radialer Verstellung der Stiftreihen insgesamt oder nur von einzelnen Reihen als Regeleinheit benutzt werden kann. Regelgrößen sind hierbei die vorzugsweise am Schneckenende zu messende Werkstofftemperatur, der Durchsatz oder die Mischqualität (Viskosität, Schrumpfgrad oder Homogenität). Diese Werte können in einem Rechner optimiert wenden und dienen als Stellwert für die Eintauchtiefe der Stifte, was durch entsprechenden Antrieb eines Stellmotors für die Antriebswelle 17 erreicht werden kann. Dadurch läßt sich der Misch- und Homogenisiereffekt während des Betriebes der Schnekke über die Eintauchtiefe der Stifte bzw. über die eingesetzte Anzahl derselben regulieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und sich ähnlich verhaltenden Thermoplasten, mit einer einer durchgehend zylindrischen Geliäusebohrung angepaßten, drehbaren und axial ortsfest gelagerten Schnecke, die einen Einzugsabschnitt mit ununterbrochenen Schneckenstegen und einen sich unmittelbar daran anschließenden Misch-und Homogenisierungsabschnitt aufweist, in dem die Schneckenstege unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, daß dem Misch- und Homogenisierungsabschnitt (21) des Extruders (1) eine Stiftanordnung zugeordnet ist, bei der in an sich bekannter Weise von dem Gehäuse (2) sich radial erstreckende, zwischen die unterbrochenen Schnekkenstege (6) eingreifende, umfangsverteilte Stifte oder Zapfen (J) in mindestens einer quer zur Schneckenachse liegenden Ebene (9) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Ansprach !, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Zapfen (7) am freien Wirkende eine strömungstechnisch günstig gestaltete Querschnittsform besitzen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Zapfen (7) mindestens jeweils in einer Ebene (9) gemeinsam radial verstellbar sind.