DE2509744B2 - Verfahren und vorrichtung zum einmischen von zusatzstoffen in kunststoffe unter gleichzeitigem entfernen fluechtiger bestandteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einmischen von Zusatzstoffen in Kunststoffe unter gleichzeitigem Entfernen flüchtiger Bestandteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Viele Kunststoffe werden durch Polymerisation oder Polykondensation in Substanz, Lösung oder Dispersion hergestellt. Bei ihrer Aufarbeitung müssen Dispergier- und Lösungsmittel bzw. nichtumgesetzte Monomere möglichst restlos entfernt werden. Dies geschieht im allgemeinen durch Entgasung bei erhöhter Temperatur in einem Extruder. Die Entgasung muß möglichst schonend vorgenommen werden, da sonst bei temperaturempfindlichen Kunststoffen teilweise Zersetzung eintreten kann, was zu Verfärbung oder Bildung dunkler Teilchen im Kunststoff führt. Es ist zweckmäßig, dem Kunststoff gleichzeitig mit der Entgasung die erforderlichen bzw. gewünschten Zusatzstoffe zuzumischen, um dadurch einen weiteren Aufschmelzvorgang zu sparen.

In der DT-OS 14 54 745 ist ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Entgasen und Einfärben von Kunststoffschmelzen beschrieben. Die Vorrichtung besteht aus einem Extruder, welchem durch zwei hintereinander angeordnete öffnungen zunächst Farbstoffkonzentrat in die öffnung und dann die Hauptmenge des Kunststoffes in die zweite zugeführt wird. Nach dem Aufschmelzen und Vermischen der Schmelzen wird das Gemisch in einer Entgasungszone von den flüchtigen Anteilen befreit, welche durch eine weitere öffnung gasförmig entweichen. Ein ähnliches Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind auch aus der DT-AS 20 37 784 bekannt Dieses Verfahren ermöglicht eine Entgasung und Einfärbung auf schonende Weise; es hat jedoch den Nachteil, daB es nur eine begrenzte Durchsatzleistung hat Diese Begrenzung rührt her einmal von der Neigung der Kunststoffschmelze zum Schäumen bei einem zu plötzlichen Durckabfall an der Entgasungsöffnung und zum anderen von der starken Abkühlung der Schmelze infolge des Verlustes der Verdampfungswärme beim Entgasen. Beide Effekte bedingen eine Verringerung des Durchsatzes. Die Schmelze muß nämlich so langsam an die Entgasungsöffnung herangeführt werden, daß kein zu starkes Aufschäumen auftreten kann, und sie muß nach dem Ver'ust der Verdampfungswärme in zeitraubender Weise wieder aufgeheizt werden, damit sie nicht zu zähflüssig wird.

Aus der DT-OS 19 64 946 sowie der US-PS 34 10 938 sind Verfahren zur Entfernung flüchtiger Bestandteile aus Kunststoffschmelzen, -lösungen oder -dispersionen bekannt, bei denen die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion durch eine Einspeiseöffnung von oben in den Extruder hineinexpandiert wird und die dabei verdampfenden flüchtigen Bestandteile gleichzeitig aus der Einspeiseöffnung des Extruders abgezogen werden. Auch diese Verfahrensweise ist mit wesentlichen Mangeln behaftet und insbesondere in ihrer Durchsatzleistung begrenzt Bei der Entspannungsverdampfung in der Einspeiseöffnung des Extruders findet ein Aufschäumen der Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion statt. Bei hoher Entgasungsleistung und hohen Durchsätzen kann der Schaum von den Schneckenwellen des Extruders nicht mehr eingezogen und komprimiert werden, so daß nur bei relativ geringer Durchsatzleistung gearbeitet werden kann. Weiterhin kann sich der Kunststoff bei der Entspannungsverdampfung in der Einspeiseöffnung des Extruders so stark abkühlen, daß er in fester, nicht mehr fließfähiger Form als Flocken oder schaumige Klumpen auf die Schneckenwellen fällt und erneut aufgeschmolzen werden muß. Dieser erneute Aufschmelzvorgang stellt nicht nur eine unerwünschte thermische Belastung des Kunststoffes dar, sondern führt auch zu einer weiteren Durchsatzbegrenzung oder macht den Einsatz aufwendiger Maschinen notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einmischen von Zusatzstoffen in Kunststoffe unter gleichzeitigem Entfernen von flüchtigen Bestandteilen zu entwickeln, mit dem bei großen Durchsatz an Kunststoff möglichst hohe Entgasungsleistungen erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion entgegen der Schwerkraft über im wesentlichen den gesamten Bereich der ersten Entgasungszone gleichmäßig eingespeist, verteilt und gleichzeitig mit der Verteilung die Hauptmenge der flüchtigen Bestandteile ausgedampft wird

Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Entgasungsextruder zur Durchführung dieses Verfahrens mit einer von einem heizbaren Gehäuse umgebenen, horizontal liegenden Schneckenwelle, wobei das Gehäuse in Produktflußrichtung zunächst oben eine Einspeiseöffnung für die Zusatzstoffe, dann unten eine Einspeiseöffnung für die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion und schließlich eine Austragsöffnung sowie mindestens eine Entgasungsöffnung aufweist, welcher dadurch gekennzeichnet ist, daß die Einspeise-

öffnung senkrecht unter der ersten Entgasungsöffnung angeordnet ist.

Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ermöglichen in einfacher und schonender Weise ein gleichzeitiges Einmischen von Zusatzstoffen und Entfernen flüchtiger Bestandteile bei der Aufbereitung von Kunststoffen bei sehr hoher Durchsatzleistung. Die Leistungssteigerung gegenüber herkömmlichen Verfahren ist einmal dadurch bedingt, daß beim Entgasen kein störendes Aufschäumen mehr stattfindet. Sie ist andererseits durch die verbesserte Wärmezufuhr bedingt; denn sofort nach Eintritt in den Extruder erfolgt die Verdampfung der flüchtigen Bestandteile. Die dem Kunststoff für die Verdampfung entzogene Wärmemenge wird diesem unmittelbar wieder zugelührt. So stellt sich bei der Verdampfung ein starkes Temperaturgefälle zwischen Produkt und Extruderwand ein, welches den Wärmeübergang erleichtert, so daß eine größere Wärmemenge zugeführt werden kann. Darüber hinaus steigt infolge der Abkühlung durch die Verdampfung die Viskosität der Schmelze an, so daß durch die erhöhte Scherbeanspruchung bei der Bewegung der Schnecke eine zusätzliche erwünschte Erwärmung der Schmelze durch Energieübertragung von der Schnecke her eintritt. Bei der Verwendung von Entgasungsextruder mit nur einer Schneckenwelle läßt <;ich, bezogen auf die Zahl der Schneckenwellen, auf diese Weise mindestens die gleiche Leistung hinsichtlich Entgasung und Durchsatz ohne Schaumprobleme erbringen, wie bei der Verwendung von den entsprechenden Mehrwellenextrudern. Auf diese Weise ist eine Entgasung bis auf einen Restgehalt von weniger als 1% an flüchtigen Bestandteilen möglich.

Als Kunststoffe kommen hier vor allem thermoplastisch verarbeitbare Polymerisate und Polykondensate in Frage, wie Polyolefine, Polystyrol, Polyvinylchlorid, Polymethylmethacrylat, Polyamid oder Polyacetale; daneben auch synthetische Kautschuke, wie die Polymerisate des Butadiens oder Isoprens. Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Aufarbeitung der thermisch empfindlichen Mischpolymerisate des Styrols oder «-Methylstyrols mit 10 bis 80 Gewichtsprozent Acrylnitril, Methacrylnitril oder Maleinsäureanhydrid, sowie den entsprechenden, mit Polybutadien- oder Polyacrylester-Kautschuken schlagfest modifizierten Pfropfmischpolymerisaten.

Die Kunststoffe, die in Substanz oder Lösung hergestellt worden sind, enthalten vor dem Entgasen im allgemeinen 10 bis 70, vorzugsweise. 30 bis 60 Gewichtsprozent an flüchtigen Bestandteilen. Bei der Herstellung der Kunststoffe durch Polymerisation in Substanz kann die Umsetzung nur in den seltensten Fällen vollständig durchgeführt werden, da sonst die Viskosität der Schmelze zu hoch werden würde. Die Kunststoffschmelze enthält daher immer noch Restmonomere, die durch das erfindungsgemäße Verfahren entfernt werden sollen. Im Falle einer Lösungspolymerisation enthält das Polymerisat noch Lösungsmittel, wobei die üblichen, normalerweise flüssigen organischen Verbindungen, wie Äther, Alkohole, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, in Frage kommen.

Unter Kunststoff-Dispersionen sind dabei insbesondere alle die Dispersionen zu verstehen, die bei der üblichen Emulsions- oder Suspensionspolymerisation der Monomeren in wäßrigem Medium anfallen. Sie können aber auch durch nachträgliches Dispergieren der Kunststoffe z. B. in Wasser hergestellt werden. In den Dispersionen liegt vor dem Entgasen der Anteil an flüchtigen Bestandteilen in der Regel bei 30 bis 80 Gewichtsprozent, bezogen auf die Dispersion, und vorzugsweise bei 40 bis 70 Gewichtsprozent. Die Dispersionen enthalten als flüchtige Bestandteile vornehmlich das Dispergiermittel sowie eventuell Restmonomere, sofern die Polymerisation nicht bis zum vollständigen Umsatz durchgeführt worden ist.

Wie bereits ausgeführt, liegen die Kunststoffe vor der ίο Zugabe in den Extruder als Schmelze, Lösung oder Dispersion vor. Sie werden vorzugsweise in einem Wärmeaustauscher auf eine Temperatur zwischen 150 und 250°C vorerhitzt und dann in flüssiger Form unter einem Druck, der mindestens dem Sättigungsdruck der flüchtigen Bestandteile bei diesen Temperaturen entspricht, in den Extruder eingespeist.

Als Zusatzstoffe, die in die Kunststoffe eingemischt werden sollen, kommen in Frage:

Rückware aus Abfällen, die bei der Weiter- bzw. Wiederverarbeitung des Kunststoffes angefallen sind; andere Kunststoffe, z. B. Elastomere oder Verschnittware; Füllstoffe, z. B. Glasfasern oder andere anorganische Verstärkungsmaterialien; Weichmacher; Pigmente; Farbstoffe, Gleitmittel, Antistatika oder Stabilisatoren, die bevorzugt in Form von Konzentraten in geringen Mengen des Kunststoffes zugeführt werden. Die Zusatzstoffe werden im allgemeinen in feinverteilter Form, z. B. als Granulat oder Pulver, in den Extruder zugegeben. Müssen neben festen Zusatzstoffen noch 3c flüssige, wie z. B. manche Weichmacher oder Gleitmittel, in größeren Mengen zugeführt werden, so geschieht dies zweckmäßigerweise durch eine gesonderte Einspeiseöffnung nach den Entgasungszonen. Die Menge an Zusatzstoffen beträgt bevorzugt 1 bis 50, insbesondere 5 bis 25 Gewichtsprozent, bezogen auf den Kunststoff.

An der Schnecke des erfindungsgemäß zu verwendenden Extruders mit einer horizontal liegenden Schneckenwelle können zur besseren Durchmischung Stauelemente oder Knetscheiben angeordnet sein, welche den Stol'faustausch von einem Schneckenbereich in den anderen verstärken.

Die Zusatzstoffe werden üblicherweise von oben in den Extruder eingespeist. Die Einspeisung der Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion erfolgt erfindungsgemäß entgegen der Schwerkraft von unten. Senkrecht oberhalb der Einspeiseöffnung der Kunststoffschmelze ist eine öffnung angeordnet, durch welche die Hauptmenge der flüchtigen Bestandteile, vorzugsweise mehr als 60%, entgast wird. Der Ausdruck »senkrecht oberhalb« soll auch noch konstruktive Ausführungsformen mitumfassen, bei denen die Entgasungsöffnung geringfügig nach vorn oder hinten versetzt ist. Die Entgasungsöffnung kann natürlich auch schmäler oder breiter bzw. dicker oder dünner als die Einspeiseöffnung sein.

Die Einspeiseöffnung für die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion liegt unterhalb der Schneckenwellen. Der Ausdruck »unterhalb« soll Ausführungsformen umfassen, bei denen die Einspeiseöffnung senkrecht unter der Schneckenwelle angeordnet ist oder auch in Querrichtung der Welle geringfügig seitlich versetzt ist. Hierdurch käßt sich die Entgasungsleistung variieren und verbessern.

An der Einspeisestelle für die Kunststoffe herrscht infolge des Vorerhitzens der Schmelze und damit auch der flüchtigen Bestandteile ein Überdruck; um eine wirksame Entgasung zu gewährleisten, ist es zweckmä-

Big, wenn an der Entgasungsöffnung Atmosphärendruck herrscht, bzw. wenn durch Abpumpen der flüchtigen Bestandteile ein Überdruck erzeugt wird. Dieser Druck an der Entgasungsöffnung soll möglichst konstant gehalten werden.

Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung erläutert. Die Figur zeigt schematisch einen Einwellenextruder in Seitenansicht, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann.

In einem Extrudergehäuse (1) mit Heizmantel (2) dreht sich eine Schnecke (3). An der Einspeisestelle (4) werden die Zusatzstoffe in fester Form 2,ugegeben. Gegebenenfalls kann eine weitere Einspeisestelle für die Zugabe von flüssigen Zusatzstoffen vorgesehen werden. Polymerisationslösung bzw. -schmelze bzw. dispersion wird in einem Wärmeaustauscher (5) vorerhitzt und an der Einspeisestelle (6) flüssig zugeführt. Die Hauptmenge der flüchtigen Bestandteile wird an einer öffnung (8) entgast, die senkrecht oberhalb der Einspeisestelle (6) angeordnet ist. Weitere Entgasung kann durch die öffnung (9) erfolgen. Falls erforderlich kann an einer Einspeisestelle (7) Schleppmittel eingebracht werden, welches die restlichen flüchtigen Bestandteile mitreißt, wenn es den Extruder durch die Entgasungsöffnung (tO) wieder verläßt. Die Schmelze wird schließlich durch eine Düse (11) ausgepreßt.

Die Einspeisestelle für den flüssigen Kunststoff kann beliebig gestaltet sein. Die einzuspeisenden Kunststoffe können durch eine oder mehrere Düsenbohrungen eingeführt werden. Diese Bohungen können auch als Schlitze ausgebildet sein, die längs der Schneckenachse verlaufen. Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei dei die Düsenöffnungen während des Betriebes über eine einstellbare Drosseleinrichtung variiert bzw. geschlossen werden können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Einmischen von Zusatzstoffen in Kunststoffe unter gleichzeitigem Entfernen flüchtiger Bestandteile, bei dem in einen einwelligen Entgasungsextruder in Produktflußrichtung zuerst die Zusatzstoffe und dann Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion unter einem Druck, der mindestens dem Sättigungsdruck der flüchtigen Bestandteile entspricht, eingespeist werden und die Beschickung unter Erhitzen vermischt und ausgepreßt wird, wobei die flüchtigen Bestandteile in mindestens einer Entgasungszone unter weitgehender Aufrechterhaltung der Verdampfungstemperatür nahezu vollständig ausgedampft werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion entgegen der Schwerkraft über im wesentlichen den gesamten Bereich der ersten Entgasungszone gleichmäßig eingespeist, verteilt und gleichzeitig mit der Verteilung die Hauptmenge der flüchtigen Bestandteile ausgedampft wird.

2. Entgasungextruder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer von einem heizbaren Gehäuse umgebenen, horizontal liegenden Schneckenwelle, wobei das Gehäuse in Produktnußrichtung zunächst oben eine Einspeiseöffnung für die Zusatzstoffe, dann unten eine Einspeiseöffnung für die Kunststoffschmelze, -lösung oder -dispersion und schließlich eine Austragsöffnung sowie mindestens eine Entgasungsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseöffnung (6) senkrecht unter der ersten Entgasungsöffnung (8) angeordnet ist.