DE2235784C3 - Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und hochviskosen Thermoplasten - Google Patents
Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und hochviskosen ThermoplastenInfo
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Description
30
Die Erfindung bezieht sich auf einen Einschnecken-Extruder zum Mischen und Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungea und hochviskosen
Thermoplasten, mit einer einer durchgehend zylindrisehen
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 Werkstof- so
fe 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 unterbrechenen Schneckenstegen nur Durchsätze niedrigen Ausmaßes
möglich. Die gegenläufigen Schneckenstege 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 Extruder beschrieben, bei 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,
die als Fördermesser wirken, durch die der Massestrom zwischen den Ringrippen in bezug auf die Abgabemenfed
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 Weiterfördening der aus den Schrägschlitzen der einen
Rippe ausgepreßten Masse in die Schrägschlitze der anderen Rippe zu sorgen. Die Fördermesser sind hierbei
lediglich Leitelemente, mit denen eine Regulierung der Durchtrittsmenge err-äicht werden soll. Eine Misch- und
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 Mischvorrichtung
nach der Gattung eines Ko-Kneters. Bei den Ko-Knetmaschinen ist die im Zylindergehäuse angeordnete,
drehend bewegbare, mit Mischschaufein oder -flügeln versehene Mischerweüe 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
W3isen 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 Mischerwelle 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 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
siegfreien 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, u«i 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 '5
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 werdea Die
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 Mischen und Verschneiden der trockenen und benetzten Bestandteile
des Mischungsproduktes in verschiedenen Viskositäts- » graden 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 Schueckenachse 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 pumpfähig 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. 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
feststehende, radiale Gehäusezapfen zugeordnet sind, ist wegen des fehlenden Druckaufbaus, einer exzentri- «>
sehen Auslaßöffnung und eines weit ausgelegten Einzugsbereiches keine mit einem Extruder vergleichbare
Maschine. Außerdem ist das behandelte Material ein niedrigviskoses Massegemisch.
Die DE-OS 21 60 062 beschreibt ein Verfahren und eine Strangpresse zur Regelung der in einem Zyllinder
geförderten Kunststoffmuffe 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 Umwandlungszone, z. B. von
Granulat in Schmelze, eine schneckenstegfreie Zone mit einem Druckerhöhungs- und einem Entspannungsabschnitt,
in welch letzterem die Öffnungen zum Entgasen angeordnet sind. Die Zapfen und/oder Rippen im
Bereich der Druckerhöhungszone die:^?n 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, cUe sich in der Zone des niedrigsten Druckes befinden, veranlassen jedoch lediglich eine leichtere
Entgasung, wobei zugleich eine Scherwirkung 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 Homogenisierungsabsciinitt
des Extruders eine Stiftanordnung zugeordnet ist, bei der in an sich bekannter Weise von dem Gehäuse sich
radial erstreckende, in die Unterbrechungen der Senneckengänge eingreifende, umfangsverteile 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
Funktion. In dem von der Masse vollgefüllten Schneckengang werden die Stifte oder Zapfen unter
Ter.jpeiatur- und Druckbeeinflussung von vielen Masseteilchen
ohne wesentliches Scherfließen umströmt. Dabei erfolgt eine bedeutende Oberflächenvergrößerung
und Aneinanderlagerung von Masseteilchen mit benachbarten oberflächenvergrößerten Masseteilchen,
wobei durchsatzdrof.elnde und energieumsatzfördernde Wirkungen gegeneinander aufgehoben sind. Geschwindigkeitsunterschiede
beim Umströmen der Zapfen gleichen sich, ohne störenden Einfluß auszuüben, in der strömenden, sich mischenden sowie mechanisch und
thermisch vergleichmäßigenden Masse aus. Es wird nur soviel mechanische Er.srgie in Wärme umgesetzt, daß
die Viskositätsunterschiede zu homogenen Masseteilchen führen. Die ruhend festgehaltenen Stifte im vollen
kontinuierlich durchgehend bewegten Schnecken!™™!
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 kurz- to
zeitigen Stromaufteilung und örtlichen Verwirbelung an den Stromaufteilungsstellen unterworfen. Es ergibt sich
die überraschende Wirkung, daß da: Material auf eine einfache Weise mechanisch und thermisch so weit
vergleichmäßigt werden kann, daß man ein homogenes Endprodukt von verhältnismäßig niedriger Durchschnittstemperatur
erhält. Damit verbunden ist eine geringe spezifische Energieaufnahme und es entstehen
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der Verarbeitung von Kautschukmischungen mit beliebigen Anteilen an Naturkautschuk und Füllstoffen. Bei
solchen Kautschukmischungen können wegen der geringen spezifischen Energieaufnahme höher beschleunigte
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 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 Maschinenteilen.
Die Stifte oder Zapfen können am freien Wirkende kreisförmigen Querschnitt besitzen, und in vorteilhafter
Ausgestaltung können die Stifte oder Zapfen mindestens einer Ebene gemeinsam radial verstellbar sein.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachstehend erläutert.
Fi g. 1 zeigt einen Einschnecken-Extruder gemäß der Erfindung im Längsschnitt und im Ausschnitt schematisch.
Fig. 2 ist ein Querschnitt nach der Linie 11-11 der
Fig. 1-
Fig. 3 veranschaulicht den Extruder der Fig. 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
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 mit einem nicht dargestellten Antrieb versehen ist. In dem Gehäuse 2 sind in
beliebigen Abständen und in beliebiger Anzahl in den Raum 5 zwischen den Schneckenstegen 6 ragende
Vorsprunge 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
Wirbciüiigsefieki zu vergrößern. Der Exirudcr 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 sich nach den Festigkeitswerten des Schneckenwerkstoffes.
Die Fig.3 und 4 zeigen im Längs- und Querschnitt
eine An;,>dnuns 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 !2 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 Anschläge
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 werden 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 (3)
1. Einschnecken-Extruder zum Mischen und
Homogenisieren von hochviskosen Kautschukmischungen und hochviskosen 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 Schnekkenstege
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, in die Unterbrechungen der Schneckenstege (6) eingreifende,
umfangsverteilte Stifte oder Zapfen (7) in mindestens einer quer zur Schneckenachse liegenden
Ebene (Sj angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Stifte oder Zapfen (7) am Freien Wirkende kreisförmigen Querschnitt besitzen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stifte oder Zapfen (7) mindestens
einer Ebene (9) gemeinsam radial verstellbar sind.
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