DE2365149B2 - Zwei- oder mehrschnecken-extruder zum plastifizieren und homogenisieren von kunststoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zwei- oder Mehrschnecken-Extruder zum Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoffen, mit mindestens zwei einseitig gelagerten, gegenläufig angetriebenen und mit je einer Innenbeheizung versehenen, mit ihren Gewindegängen ineinandergreifenden Schnecken.

Schnecken-Extruder, deren einzige Schnecke drehbar und längsunverschieblich in einem Gehäuse einseitig gelagert ist, wobei eine sich über einen Teil der Gehäuselänge oder die gesamte Gehäuselänge erstrekkende Mantelbeheizung vorgesehen ist, sind ebenso bekannt wie Doppelschneckenextruder mit gleichsinnig umlaufenden, längsunverschieblichen Schnecken, deren Schneckengänge bzw. -stege ineinandergreifen (deutsche Patentschriften 8 79 913 und 10 07 499). Bei diesen Doppelschnecken-Extrudern erfolgt die Beheizung des zu plastifizierenden Guts von außen her über das Gehäuse, was einerseits in nachteiliger Weise zu Wärmeverlusten führt und andererseits eine unzureichende Erwärmung des Förderguts im gesamten Förderbereich ergibt. Zusätzlich hierzu kann auch eine Innenkühlung der beiden Schnecken durch ein in Längsrichtung jeder Schnecke zirkulierendes Wärmetauschmittel, z. B. Kühlwasser, erfolgen (CH-PS 4 51 497). — Eine zonenweise Mantelbeheizung zeigt hierbei die US-PS 25 41 201.

Durch die deutsche Patentschrift 8 46 012 ist eine Vorrichtung bekannt, die der Herstellung von Preßmischungen aus härtbaren Kunststoffmassen dient und bei der zwei im gleichen Drehsinn angetriebene, mit ihren Schneckengängen ineinandergreifende Schnecken Anwendung finden. In die im wesentlichen über die vordere, dem Austragsende benachbarte Längshälfte sich erstreckende Innenbohrung der Schnecken kann ein Heiz- oder Kühlmittel geleitet werden. Hierbei sind die Schneckengänge auf Gewindehülsen aufgebracht, die gegen Gewindehülsen mit kleinerer oder gröllerer Ganghöhe ihrer Schneckengänge auswechselbar sind. Zum Mischen von härtbaren, also nicht thermoplastischen Kunststoffen, läßt sich diese bekannte Vorrichtung mit Nutzen verwenden; zum Plastifizieren von Thermoplasten dagegen ist die Vorrichtung nicht verwendbar, es sei denn, man verwendet nach einem weiteren Vorschlag dieser Patentschrift konische Schnecken in einem entsprechenden, mit konischen Aufnahmebohrungen versehenen Gehäuse. Derartige Extruder mit entgegengesetztem Drehsinn ihrer einseitig gelagerten und mit ihren Schneckengängen ineinandergreifenden Schnecken zeigt die schweizerische Patentschrift 4 56 937, wobei die Schnecken eine Innenbeheizung mittels eines durch Längsbohrungen in den Schnecken strömenden Heizmediums, z.B. öl, erfahren. Um die Förderung des zu plastifizierenden Guts und das Ausstoßen der bearbeiteten Kunststoffmasse zu erreichen, ist außer der konischen Gestalt der Schnecken vorgesehen, diese in ihrer Länge zu unterteilen, wobei die beiden· Längshälften jeder Schnecke unterschiedliche Drehgeschwindigkeit aufweisen.

Eine Temperiereinrichtung für frei zur Verarbeitung von plastischen Massen vorgesehene und mit ihren Gewindegängen ineinandergreifende Extruderschnekken sieht die DT-OS 17 29 347 vor, wobei das flüssige Temperiermittel durch eine zentrale Bohrung bis kurz vor die Schneckenspitze geleitet wird, um in einer Ringkamnier zum hinteren Schneckenende zurückgefördert zu werden. Hierbei wird ein weitgehend gleichmäßiges Temperaturgefälle von der Schneckenspitze zum Schneckenende erreicht.

Bei Einschneckenextrudern mit Innentemperierung der Schnecke sind unterschiedliche Gewindeganghöhen in einander benachbarten Schneckenabschnitten durch die US-PS 30 07 198 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei Zweioder Mehrschneckenextruder der eingangs genannten Art eine Verbesserung der Homogenisierung und Plastifizierung sowie eine mechanische und thermische Schonung des Kunststoffs bei einer hohen Durchsatzleistung zu erreichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor daß die sich über die Länge oder einen Teil der Länge der zylindrischen parallelen Schnecken erstreckende elektrische Innenbeheizung beider Schnecken in unabhängig voneinander in ihrer Temperatur regelbare Heizzonen unterschiedlicher Erwärmung des Kunststoffs unterteilt ist und jede Schnecke in bekanntet Weise in einigen Zonen in der Höhe verminderte vergrößerte Aufnahmeräume bildende Schneckengänge hat.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die elektrische Innenbeheizung in einer Lagerbüchse aus einem Werkstoff mit höherem Wärmedehnungskoeffizienten als der des Schneckenwerkstoffs gehalten.

Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, daß das Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoffer nach großflächiger Erwärmung an den Gewindegängen im Zwickelbereich der kämmenden Schnecken erfolgt wobei eine variable Temperaturführung und unterschiedliche Gangvolumina in den Längszonen dei Schnecken vorgesehen sind. Die Erfindung wendel hierbei das Prinzip der Schneckenpumpe an, wesweger die Erfahrungen mit Einschneckenextrudern in bezu§ auf die Beheizung auf Zwei- und Mehrschneckenextru der nicht übertragbar sind. Bei Innenbeheizung dei Schnecke eines Einschneckenextruders kommt nämlich die Förderung des Kunststoffs zum Stillstand.

Aus der Lösung der aufgezeigten Aufgabe ergibt sich

der Vorteil, daß auf Grund der Beheizung der Zwickelstelle, an welcher die Gewindegänge beider Schnecken ineinandergreifen, die auf die Schnecken wirkenden Spreizkräfte verringert werden. Hierdurch wird eine Verminderung des Verschleißens von Schnecke und Innenfläche des hohlzylindrischen Gehäuses erreicht. Da durch die bessere Beheizung der Schnecken auch die Rückdmckkräfte, die in axialer Richtung auf das Lager wirken herabgesetzt werden, wird auch eine geringere Beanspruchung der Schnekkenlager erzielt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an einem Doppelschnecken-Extruder dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen waagerechten Längsschnitt durch den Extruder, mit in den miteinander kämmenden Schnekken angeordneten Heizeinrichtungen,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die beiden miteinander kämmenden Schnecken mit Schneckengängen in voller und reduzierter Ganghöhe, wobei die Schnecken in einzelne Zonen mit oder ohne Heizeinrichtungen unterteilt sind,

F i g. 3 einen senkrechten Querschnitt durch den Doppelschnecken-Extruder an der Einzugszone,

F i g. 4 einen Querschnitt durch einen Teilbereich der Schnecke und des doppelhohlzylindrischen Gehäuses, mit die Wärmeabgabeflächen bildenden Schneckengängen und dazwischen liegendem Fördergut nach der Linie IV-IV der F ig. 3 und

F i g. 5 mehrere ineinandergreifende Schneckengänge der beiden Schnecken im Zwickelbereich der Schnecken nach der Linie V-V der l· 1 g. o.

Der Zweischnecken-Extruder für die Verarbeitung von thermoplastischen Kunststoffen, wie PVC od. dgl., weist in einem doppelhohlzylindrischen Gehäuse 10 zwei drehbar gelagerte, motorisch angetriebene und miteinander kämmende Schnecken 11 auf, die sich gegenläufig drehen (F i g. 3) und an ihrem, der Einzugszone benachbarten Ende fliegend gelagert sind.

In jeder Schnecke 11 ist mindestens eine, die zu fördernde, zu plastifizierende und zu mischende Kunststoffmasse erwärmende, regulierbare elektrische Heizeinrichtung 12, angeordnet, wobei zur Erzielung unterschiedlicher Temperaturen bzw. regelbarer Wärmezonen in jeder Schnecke 11 mehrere in Schneckenlängsrichtung im Abstand hintereinander angeordnete Heizeinrichtungen 12 vorgesehen sind, die Zonen gleicher und/oder unterschiedlicher Temperatur ergeben.

Jede Heizeinrichtung 12 ist von einer elektrischen Heizpatrone 13, 7.. B. einem Widerstandsheizelement, gebildet, welches in einer Lagerbüchse 14 aus einem Werkstoff, mit höherern Wärmedehnungskoeffizienten im Verhältnis zum Schneckenwerkstoff, vorzugsweise Bronze, gehalten ist (F i g. 1).

Jede Schnecke 11 nimmt in einer zentralen, in Schneckenlängsrichtung verlaufenden Bohrungen 15 die Heizeinrichtung 12 auf, wobei jede Heizeinrichtung 12 mit ihrer Lagerbüchse 14 lose in diese Bohrungen 15 eingeschoben ist. Auf Grund der Dehnungskoeffizienten des Lagerbüchsenwerkstoffs erfolgt bei der Erwärmung eine Büchsenaufweitung, die ein Klemmen der Lagerbüchse 14 in der Bohrung 15 und somit ein Lagefixieren ergibt, bei Abkühlen der Lagerbüchse aber ein leichtes Herausnehmen der Heizeinrichtung 12 zuläßt.

In Schneckenlängsrichtung können mehrere im Abstand hintereinander angeordnete Heizeinrichtuneen 12 mittels Abstandshalter 16. zu einer, nach dem Lösen der ausstoßseitigen Schneckenspitze 17 aus de: Schnecke 11 herausziehbaren Baueinheit verbunden sein. Hierzu trägt die in Auszugsrichtung erste Lagerbüchse 14 an ihrem ausstoßseitigen Stirnende einen Griffteil 18.

In jede Lagerbüchse 14 der Heizeinrichtungen 12 faßt zur Steuerung der gewünschten Temperatur, die durch die Heizeinrichtung 12 in der von ihr eingenommenen Schneckenzone erreicht werden soll, ein Temperaturfühler 19 ein.

Die Länge jeder Heizeinrichtung 12 entspricht der Länge der jeweils erforderlichen Heizzone innerhalb der Schnecken 11.

In den Lagerbüchsen 14 der Heizeinrichtungen 12 sind Durchtrittsöffnungen 20 (F i g. 3) für die Durchführung der einzelnen elektrischen Leitungen 13a, 19a jeder Heizeinrichtung 12 und jedes Temperaturfühlers 19 vergesehen.
Jede Heizeinrichtung 12 besitzt eine eigene elektrisehe Leitung 13a, die in Schneckenlängsrichtung durch die Schnecke 11 hindurchgeführt ist und je mit einem an der Schnecke 11 außerhalb des Gehäuses 10 vorgesehenen Schleifkontakt 21 lösbar verbunden ist.
Auch jeder Temperaturfühler 19 ist mit seiner elektrischen Leitung 19a in Schneckenlängsrichtung und durch benachbarte Heizeinrichtungen 12 hindurchgeführt und mit im Abstand zu den Schleifkontakten 21 angeordneten, im selben Schneckenendbereich liegenden weiteren Schleifkontakten 22 lösbar verbunden.

Durch Losen der elektrischen Leitungen 13a, 19a von ihren Schleifkontakten 21, 22 kann die Heizeinrichtungs-Baueinheit einschließlich der Temperaturfühler 19 aus den Schnecken U zu dem, den Schleifkontakten 21, 22 abgewandten Ende hin nach Lösen der Schneckenspitzen 17 herausgezogen werden.

Den Schleifkontakten 21 für die Heizeinrichtungen 12 ist eine Stromzuführungseinrichtung 23 zugeordnet, die mit den Schleif-Kontakten 21 einen Kollektor ergibt, und den Schleifkontakten 22 der Temperaturfühler 19 ist eine Übertragungseinrichtung 24 zugeordnet, die mit einer elektrischen Leitung zu einem SteuerteU führt, der die Stromzufuhr zu den Heizeinrichtungen 12 auf Grund der Temperaturfühler-Impulse steuert.

Die Heizpatronen 13 können auch in bekannter

Weise in einem Wärmeträgermedium, vorzugsweise öl, angeordnet sein.

Jede Schnecke 11 weist auf ihrer gesamten Länge von dem gutaufnahmeseitigen, eine höhere Temperatur zeigenden Ende bis zum gutausstoßseitigen, eine niedrigere Temperatur besitzenden Ende in eine Einzugszone A, eine erste Verdichterzone B, eine Absperrzone C, eine Vakuumzone D, eine zweite Verdichterzone Fund eine Ausstoßzone Fauf. Hierbei sind alle Zonen bis auf die Eirizugszone A und die Vakuumzone Dbeheizt.

Wie aus F i g. 2 zu erkennen ist, ist die Höhe der Schneckengänge jeder Schnecke 11 im Bereich der Einzugszone A, der ersten Verdichterzone B, der Vakuumzone D und der zweiten Verdichterzone E unterschiedlich, d. h. mindestens einzelne Gänge der Schnecken 11 sind in diesen Bereichen gegenüber benachbarten Schneckengängen zurückgeschnitten, wobei in den Verdichterzonen B und E die Schneckengänge mit der geringsten Ganghöhe der Gutaufnahmeseite benachbart sind und die Ganghöhe der sich in Richtung zur Ausstoßseite hin anschließenden Gänge ansteigt. Die Absperrzone Cund die Ausstoßzone Fsind auf ihrer gesamten Länge mit Schneckengängen

gleichbleibender Höhe ausgestattet.

Zur vergrößerten Volumenaufnahme und zur Erzielung eines einwandfreien Mischeffektes sind die Gänge der Zonen A, B, D, E auf mehr als 360° in ihrer Ganghöhe vermindert.

Im antriebsseitigen Endbereich der Schnecken 11 ist senkrecht zu den beiden nebeneinander angeordneten Schnecken 11 ein, den zu plastifizierenden und zu mischenden Kunststoff den beiden Schnecken 11 zuführender Einfülltrichter 25 vorgesehen; in dem Einfülltrichter 25 ist ein im Querschnitt rautenförmiger Leitteil 26 angeordnet, der oberhalb des in F i g. 3 waagerecht schraffierten Zwickelbereichs 27 gelegen ist, der durch die jeweils ineinandergreifenden Abschnitte der Schneckengänge gebildet wird. Der Leitteil 26 ist an seinem unteren Ende doppelt konkav gewölbt und besitzt Zuführflächen 26a.

Durch diese Zuführflächen 26a wird ein turbulenzfreies Zuführen des Förderguts aus dem Einfülltrichter 25 zu beiden Förderschnecken-Einzugsbereichen gewährleistet.

Im einzugszonenseitigen Schneckenendbereich besteht in bevorzugter Weise eine höhere Temperatur als im ausstoßseitigen Schneckenendbereich, beispielsweise herrscht in den Zonen A, B, C eine Temperatur von etwa 220° C, in den Zonen D und E etwa eine Temperatur von 200°C und in der Ausstoßzone Feine Temperatur von etwa 160°.

Selbstverständlich kann es bei der Zweischnecken-Strangpresse auch vorteilhaft sein, das Gehäuse 10 zusätzlich außen zu beheizen oder zu kühlen. Die Kunststoffmasse wird in Schneckenlängsrichtung zum Ausstoßende hin bewegt und während des Durchlaufens durch den Extruder plastifiziert und gemischt, wobei die der Einzugszone A folgende Verdichterzone B ein Verdichten der Fördermasse bewirkt, da hier die Ganghöhe einiger Schneckengänge kleiner gehalten ist, wodurch eine vergrößerte Volumenaufnahme zwischen den Schnecken und dabei ein erhöhter Mischeffekt entsteht. Die nachfolgende Absperrzone C stellt einen Sperrbereich zwischen der Verdichterzone B und der Vakuumzone Ddar, so daß nur das verdichtete Material in der Vakuumzone D, welche nicht beheizt ist, von seinen flüchtigen Bestandteilen befreit wird. Die sich daran anschließende Verdichterzone £ ergibt nochmals durch die in ihrer Höhe verringerten Schneckengänge eine Volumenabnahme und einen Mischeffekt; in der langen Ausstoßzone F wird das Material bei der erreichten Temperatur zum Ausstoßende bewegt, wobei es in der Ausstoßzone F seine Verarbeitungseigenschaft erreicht.

Die Schnecken 11 liegen mit der Außenseite der Schneckengänge mit größter Ganghöhe mit dem notwendigen Bewegungsspiel an dem Gehäuse 10 an.

Der Funktionsablauf des zu plastifizierenden Guts in dem beschriebenen Doppelschnecken-Extruder geschieht wie folgt:

Als Plastifiziergut 28 kommen vorwiegend Kunststoffe in Frage, die als Granulat, Agglomerat oder als Feinstkornpulver mit ein- oder angemischten Zusätzen von Stabilisatoren, Weichmachern, und Farbpigmenten in den Einfülltrichter 25 gegeben werden.

Aus dem Einfülltrichter 25 wird das Plastifiziergut 28 von den Schnecken 11 eingezogen und zum Austrittsende der Schnecken 11 gefördert

Auf diesem Wege wird dem Plastifiziergut 28 Wärme in Form von direkter Wärmeenergie und Friktionswär me zugeführt Die Friktionswärme entsteht durch Reibung des Plastifizierguts 28 zwischen den Schnecken 11 und dem Gehäuse 10 und im wesentlichen aus der Materialscherung im Zwickelbereich 27 der miteinanderkämmenden Schnecken 11 (Fig.3). In diesem Zwickelbereich 27 kann durch eine gesteuerte Wärmeenergiezufuhr über die Schnecken die auftretende Materialscherung beeinflußt werden. Da Kunststoffe durchweg schlechte Wärmeleiter sind, sind die großen Kontaktflächen für die Wärmeabgabe von größtem Vorteil. Auf dem Förderweg unterliegen die einzelnen Materialteilchen einer Turbulenz und einer Wärmeaufnahme von den abgegebenen Flächen. Durch die geometrische Gestaltung der Schnecken, d. h. der Veränderung der Schneckenganghöhe und -breite ist es möglich, sich der Volumenänderung des schmelzenden Plastifizierguts 28 anzupassen. Durch die Volumenänderung der Gewindegänge auf den Schnecken 11 wird gleichzeitig eine für eine homogene Plastifizierung erforderliche Kompression des Plastifizierguts 28 erreicht. Der Funktionsablauf in den einzelnen Schnekkenzonen nach Fig. 2 als Einfluß auf das Plastifiziergut 28 ist unter Berücksichtigung der vorbeschriebenen Betrachtungen folgendermaßen: In der Einzugszone A wird das noch kalte Material 28 von den Schnecken 11 angenommen, in der Verdichterzone B von den Schnecken 11 mit Wärme angereichert, wobei die allmähliche Kompression in dieser Verdichterzone ßdie erforderliche Turbulenz bewirkt. In der Absperrzone C wird das vorgewärmte Plastifiziergut 28 weiter aufgeheizt, verdichtet und gesintert. In der Vakuumzone D expandiert und zerfällt das gesinterte Plastifiziergut wieder, so daß flüchtige Bestandteile abgesaugt werden können. In der Verdichterzone £ erhält das Plastifiziergut wieder eine Verdichtung, wird unter Turbulenz weiter erwärmt und über eine Ausstoßzone F ausgetragen, wobei in der Ausstoßzone F die Zufuhr von Friktionswärme größer sein soll, als die Zufuhr normaler Wärmeenergie.

Die Wärmezufuhr erfoigt zweckmäßigerweise den einzelnen Funktionszonen angepaßt, d. h. entsprechend der Materialbeschaffenheit wird die Wärmemenge in den Zonen B, Q E und F gesteuert, in den Zonen A und D wird vorzugsweise keine Wärme zugeführt. In F i g. 4 ist der freie, von dem Plastifiziergut 28 ausgefüllte Zwischenraum zwischen aufeinanderfolgenden Schnekkengängen 11a einer Schnecke U einerseits und dem Boden lift und der Wand 10£ des Gehäuses 10 andererseits erkennbar. Der durch die Schneckengänge 11a und dem Boden Wb erwärmte Bereich ist nach innen durch die etwa V-förmige Linie 10a begrenzt und etwa dreimal so groß wie jener der Wand 10 benachbarte Bereich, der bei Beheizung des Gehäuses 10 in bekannter Weise erwärmt wird. Wird auch das Gehäuse 10 einer Temperaturführung zusätzlich unterworfen, so hat man es in der Hand, im Bereich der Wand 106 die Förderung und Durchmischung des Plastifizierguts in weiten Grenzen zu beeinflussen.

In F i g. 5 sind die ineinandergreifenden Schneckengänge lic Hoi HeSchnecken U im Zwickelbereich 27 dargestellt, wobei die linke Darstellung den Eingriff des Schneckenganges lic mit voller Höhe zwischen die Schneckengänge Wd, He zeigt, während die rechte Darstellung einen Schneckengang Wf geringer Höhe zwischen den Schneckengängen Wg, Wh wiedergibt Die Schneckengänge lic 11/einerseits und Wd, We, Wg und 11Λ andererseits können dieselben Schneckengange in einzelnen der verschiedenen Zonen A bis F sein.

Aus Fig. 5 linke Darstellung ist erkennbar, daß sich zwischen den Schneckengängen lic, Hd, He im Zwickelbereich 27 ein Spalt 29 bildet, in welchem das Plastifiziergut sowohl von den Wänden des Schneckenganges lic, als auch von den der Schneckengänge lic/, lic erwärmt wird. Es wird eine maximale Heizfläche gebildet. Durch die Querschnittsverminderung von dem Querschnitt gemäß F i g. 4 zwischen den aufeinanderfolgenden Schneckengängen zu dem Spalt 29 gemäß Fig..5 tritt eine Beschleunigung der Förderbewegung ein, so daß die starke Aufheizung in dem Spalt 29 nicht zu einer Überhitzung des Plastifizierguts führt, was zunächst zu befürchten ist. Durch die Variation des Spaltes 29 z. B. durch Vergrößerung desselben zu einem Spalt 29a (Fig.5, rechts), hat man die Änderung der Größe der Heizfläche (Wände der Schneckengänge 11 f, Hg, Hh) und damit des erwärmten Spaltquerschnitts sowie die Fördergeschwindigkeit in dem Spalt 29 in der Hand.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Zwei- oder Mehrschnecken-Extruder zum Plastifizieren und Homogenisieren von Kunststoffen, mit mindestens zwei einseitig gelagerten, gegenläufig angetriebenen und mit je einer Innenbeheizung versehenen, mit ihren Gewindegängen ineinandergreifenden Schnecken, dadurch gekennzeichnet, daß die sich über die Länge oder einen Teil der Länge der zylindrischen parallelen Schnecken (11) erstreckende elektrische Innenbeheizung beider Schnecken in unabhängig voneinander in ihrer Temperatur regelbare Heizzonen unterschiedlicher Erwärmung des Kunststuffes unterteilt ist und jede Schnecke (1») in bekannier Weise in einigen Zonen in der Höhe verminderte, vergrößerte Aufnahmeräume bildende Schneckengänge hat

2. Zwei- oder Mehrschnecken-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Innenbeheizung in einer Lagerbüchse (14) aus einem Werkstoff mit höherem Wärmedehnungskoeffizienten als der des Schneckenwerkstoffes gehalten ist.