DE2520727A1 - Verwendung eines zentrisch-zylindrischen rotationsmischers zum plastifizieren - Google Patents

Verwendung eines zentrisch-zylindrischen rotationsmischers zum plastifizieren

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DE2520727A1
DE2520727A1 DE19752520727 DE2520727A DE2520727A1 DE 2520727 A1 DE2520727 A1 DE 2520727A1 DE 19752520727 DE19752520727 DE 19752520727 DE 2520727 A DE2520727 A DE 2520727A DE 2520727 A1 DE2520727 A1 DE 2520727A1
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Description

Die Erfindung betrifft das Plastifizieren von plastifizierbaren Massen mit schnellaufenden Mischaggregaten.
Das Plastifizieren plastifizierbarer Massen läßt sich entweder in einem Arbeitsgang mit der nachfolgenden Umformung des Materials durchführen oder separat in einem speziellen Aggregat, das der eigentlichen, zur Formgebung führenden Maschine vorgeschaltet ist.
Wird die Umformung und Plastifizierung in einem Arbeitsgang durchgeführt, so bedarf es hierzu einer außerordentlich aufwendigen Maschinenkonstruktion, beispielsweise Extrudern, dsren eine oder mehrere Schnecken verschiedene, für beide Aufgaben unterschiedlich ausgebildete Zonen aufweisen müssen. Werden hohe Durchsätze erwünscht, so erhöhen sich Kosten und Dimensionen derartiger Maschinen, insbesondere aufgrund ihrer niedrigen Umdrehungszahlen und des anzuwendenden hohen Druckes überpropoi'tional. Außerdem wirken sich die langen Verweilzeiten des Materials in der Maschine und die hierdurch hervorgerufene hohe thermische und mechanische Beanspruchung auf empfindlichere Produkte, wie beispielsweise Polyvinylchlorid mit seinen Copolymeren, nachteilig aus.
/2
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Auch bei den bekannten Maschinen, die nur zur Plastifizierung dienen, tritt der Machteil der hohen mechanischen Beanspruchung des Materials auf. Bei Drehkegegelmischern erfährt der Produktenstrom eine fortlaufende Steigerung oder Verzögerung der Massenbeschleunigung, mit einer dadurch bedingten unsteten Plastifizierungsintensität. In der Folge können die Scher- und Streckwirkungen so groß werden, daß sie zu einer Zerstörung des Produktes führen.
Aufgabe der Erfindung war es daher, das Plastifizieren plastifizierbarer Massen unter Ausschaltung der skizzierten Nachteile zu ermöglichen.
Erfinduncjsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Verwendung eines zentrisch-zylindrischen Rotationsmischers, bestehend.aus einem Rotor mit an seiner Oberfläche angebrachten Noppen, Rippen oder dergleichen und einem Stator, der ebenfalls mit entsprechenden Noppen, Rippen oder dergleichen versehen ist, wobei die höchsten Erhebungen des Rotors und des Stators einen gleichförmigen, zylindrischen Ringspalt umhüllen, dessen radiale Breite höchstens der Höhe der Noppen, Rippen oder dergleichen entspricht, zum Plastifizieren von plastifizierbaren Massen.
Als zentrisch-zylindrische Rotationsmischer werden schnellaufende Mischer verwendet. Die Drehzahlen und Umfangsgeschwii;.;ckeiten sind dabei allgemein von der Spaltbreite zwischen Rotor und Stator und von der Art der zu plastifizierenden Massen abhängig. Bei schwer plastifizierbaren Produkten, aufgrund von beispielsweise hohen Füllstoffgehalten, kann es von Vorteil sein, Zahl und Größe der Rillen des Stators so zu verändern, daß die Flächen mit enger Spaltbreite - die eigentlichen Reibflächen - vergrößert werden. Andererseits kann in diesem Fall aber auch eine Vergrößerung der eigentlichen Plastifizierzone oder eine Erhöhung der Umfangsgeschwindigkeit zum Ziel führen. Zum Erreichen von kurzen Verweilzeiten der zu plastifizierenden Massen arbeitet man durchwegs mit höheren Umfangsgeschwindigkeiten als beim üblichen Extrudieren, so beispielsweise bei einem Rotor von
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8O mm Durchmesser mit 1.000 bis 6.5ΟΟ Umdrehungen pro Minute.
Ein gemäß der Erfindung einsetzbarer zentrisch-zylindrischer Rotationsmischer ist in der DAS 1 457 l82 als Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen reaktionsfähiger, fließfähiger, vorzugsweise hochviskoser Massen beschrieben. Eine Eignung solcher Mischer zum Plastifizieren thermoplastischer- Kunststoffe war jedoch nicht zu erwarten, da angenommen werden mußte, daß die hohen Umfangsgeschwindigkeiten derartiger Maschinen zum Verbrennen der zu plastifizierenden Massen führen würden. Erfindungsgemäß kann die dort beschriebene AusfUhrungsform noch mit einem zusätzlichen Stutzen am Stator versehen werden, durch welchen das mit den zu plastifizierenden Massen eingebrachte Gas - meist Luft - unter Unterdruck ganz oder zumindest teilweise abgezogen werden kann. Derartige zentrisch-zylindrischo Rotationsmischcr werden außerdem vorteilhaft mit einer als Einzugsschnecke ausgebildeten Einzugszone versehen, um den Einzug von Feststoffen zu erleichtern.
Die Gestaltung dieser Einzugszone ist unter anderem von der Art des zu plastifizierenden Kunststoffs, von der für die Plastifizierung erforderlichen Umdrehungszahl und der jeweils erforderlichen Durchsatzmenge abhängig.
Da die Plastifizierwirkung und der Durchsatz wesentlich von der Umfangsgeschwindigkeit abhängen, ist zum Erreichen der maximalen Kapazität eine entsprechende Auslegung der Fördervorrichtung erforderlich. Wählt man die Auslegung der Einzugszone zu groß, bezogen auf die Förderleistung des Mischers, so erfolgt, sobald der Slip in der Einzugszone eintritt, eine unregelmäßige Zuführung zur Plastifizierzone, wodurch es zu einem anschließenden Stau mit nachfolgender Druckentlastung in der Plastifizierzone kommt, wodurch eine Überhitzung des Plastif iziergutes verursacht werden kann.
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Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform sind Einzugszone und Plastifizierzone Bereiche des selben Rotors und damit drehzahlmäßig voneinander abhängig. Die Förderleistung der Einzugszone muß dabei durch entsprechende Wahl des Steigungswinkels in Abhängigkeit vom Schneckenprofil auf die Leistung der Plastifizierzone abgestimmt werden. Bei dieser Ausführung macht der als Einzugszone ausgebildete obere Teil des Rotors 5 bis 4O %, vorzugsweise 5 bis 20 %, der Gesamtlänge aus und die Noppen, Rippen oder dergleichen sind im Bereich der Plastifizierzone schraubenförmig angeordnet, wobei der Steigungswinkel der Schraubenlinie zwischen 15 und 30 und der Winkel der Noppenflanken zwischen 45 und 6o liegt.
Die schraubenförmige Anordnung der Rippen', Noppen oder dergleichen kann gleichläufig oder gegenläufig ausgebildet sein..Rotoren mit gleichläufiger Anordnung werden im allgemeinen aufgrund ihrer großen Leistung vorgezogen.
Das Längen- und Durchmesserverhältnis von Rotor und Stator richtet sich nach den für das jeweilige zu plastifizierende Produkt geeigneten Verweilzeiten und ist in erster Linie abhängig vom Durchsatz. Durch Anwendung variabler Antriebsdrehzahlen kann der Durchsatz der Maschine in Grenzen geregelt werden.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäß verwendeten Vorrichtung besteht darin, daß der zentrisch-zylindrische Rotationsmischer Zuführungen aufweist, durch welche gegebenenfalls Zusätze dem Produktenstrom an verschiedenen Stellen des Rotationsmischers zugeführt werden können. Der Vorteil liegt darin, daß auf diese Art dem Produktenstrom im gleichen Arbeitsgang noch andere Stoffe eindosiert werden können, wie beispielsweise Farbstoffe, Stabilisatoren, Porophore, Weichmacher, Füllstoffe einzeln oder als Masterbatch.
Für die Temperatur des austretenden, plastifizierten Produktes sind neben der Heizung oder gegebenenfalls Kühlung des Außenmantels des Stators die Durchsatzmenge, bei Festsubstanzen die Korngröße, speziel-
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le Zusätze, wie beispielsweise Gleitmittel, und die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors die maßgebenden Größen. Durch eine geeignete Wahl bzw. Abstimmung dieser Größen aufeinander gelingt es somit in der jeweils erwünschten Weise Einfluß auf die thermische Beanspruchung des Materials zu nehmen.
Als plastifizierbare Massen kommen thermoplastische Kunststoffe, die sich,ohne eine chemische Zersetzung zu erleiden, durch Erwärmen erweichen lassen und beim Abkühlen wieder erstarren, infrage. Derartige plastifizierbare Massen sind beispielsweise Homopolymerisate, Copolymerisate oder Pfropfpolymerisate von iso-Butylen, von Vinyläthern, wie beispielsweise Vinylmethyläther, Vinyläthyläther, von Vinylestern, wie beispielsweise Vinylacetat, Vinylpivalat, Vinylbutyrat, Vinylbutyral, Vinylchlorid, von Acrylsäure oder Methacrylsäure und deren Estern, wie beispielsweise Methacrylat, Äthylacrylat, Butylacrylat, Butylmethylacrylat, Dodecylacrylat, Äthylhexylacrylat, Cyclohexylacrylat, Glycidylmethacrylat oder von Maleinsäureestern, wie beispielsweise Dibutylmaleinat und Diäthylhexylmaleinat, um nur einige zu nennen. Es können auch geeignete Mischungen solcher Polymerisate untereinander gemäß der Erfindung plastifiziert werden, wobei die Polymerisate auch die üblichen Zusätze, wie beispielsweise Stabilisatoren, geeignete Füllstoffe, Farbstoffe oder Weichmacher enthalten können.
Die erfindungsgemäß zu verwendende Vorrichtung arbeitet selbstreinigend und weist nur ein geringes Volumen auf. Gegenüber den herkömmlichen langsam drehenden Schneckenstrangpressen sind die erfindungsgemäß einsetzbaren zentrisch-zyldrischen Rotationsmischer äußerst kompakt und dadurch raumsparend* Sie erlauben ein kontinuierliches Arbeiten mit sehr hohen Durchsätzen. Den zentrisch-zylindrischen Rotationsmischern, in denen das Material plastifiziert wird, können Extruder nachgeschaltet werden, in denen das plastifizierte Material dann in gewünschter Weise umgeformt wird. Eine derartige Anordnung benötigt nur einen Bruchteil des Raumbedarfs, den ein Extruder, in welchem die Umformung und Plastifizierung in einem Arbeitsgang durchgeführt wird, bei gleichem Materialdurchsatz benötigen würde.
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In den Abbildungen ist eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Maschine im Längsschnitt und zwei Statoren einer solchen Maschine im Querschnitt dargestellt.
Den oberen Teil des zentrisch-zylindrischen Mischaggregats nach Figur 1 bildet das Gehäuse mit dem Lager 13 für die Antriebswelle 9* woran sich nach unten die Wellenabdichtung 10 anschließt, durch die eine Sperrflüssigkeit durch einen Einlaßstutzen 12 gepumpt wird, die durch den Stutzen 11 die Wellenabdichtung 10 wieder verläßt. Ein Elektromotor treibt gegebenenfalls über ein Getriebe über diese Antriebswelle 9 den Rotor mit der Einzugszone 6 und der Plastifizierzone 7 im Stator 8 an. Die zu plastifizierende Masse wird mit der Zuführungsschnecke 1 durch den Eintrittsstutzen 2 an die Einzugszorie 6 herangeführt, wobei die enthaltenen Gase, wie insbesondere Luft, durch den am Entgasungsstutzen 15 anliegenden Unterdruck abgesaugt werden können. Zusatzstoffe können gegebenenfalls durch den Einlaßstutzen 3 eindosiert werden. Der Außenmantel des zentrisch-zylindrischen Rotationsmischers kann bei Bedarf beheizt werden. Die Heizflüssigkeit tritt dann durch den Stutzen 4 in den Hohlraum 14 ein und fließt über den Stutzen 5 wieder zur Heizquelle zurück. Entsprechend kann natürlich auch mit einer Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, gekühlt werden.
Die Figuren 2a und 2b zeigen zwei von dem heiz- oder kühlbaren Hohlraum l4 umgebene Statoren im Querschnitt, wobei der in Figur 2a dargestellte Stator breite Rillen, der in Figur 2b dagegen sehr schmale Rillen mit gegenüber dem in Figur 2a wiedergegebenen Stator vergrößerter Reibfläche aufweist.
Beispiele 1 bis 11
Die jeweiligen Thermoplaste wurden mit der Zuführungsschneclce 1 durch den Eintrittsstutzen 2 an die Einzugszone 6 herangeführt und in die eigentliche Plastifizierzone 7 gefördert. Der Durchmesser des Rotors
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betrug 8O mm, als Sperrflüssigkeit wurde während des Betriebes Wasser in die Wellenabdichtung 10 gepumpt. Der Wasserdruck betrug 6 bis 8 atü. Bei den Beispielen 1, 2 und 8 wurde vor die Austrittsöffnung eine Lochscheibe geschraubt. Der Durchmesser der Lochscheibe, die angewandten Mantelteraperaturen, Rotorumdrehungszahlen, zusätzliche Weichmachergehalte und Produktdurchsatz sind neben der Charakterisierung der erhaltenen Produkte der Tabelle 2 zu entnehmen, während Art und Zusammensetzung der eingesetzten Thermoplaste in Gewichtsteilen in Tabelle 1 aufgeführt wird. Der in einigen Beispielen zusätzlich eindosierte Weichmacher wurde durch den Stutzen in den Produktenstrora eingedüst. In allen Beispielen wurde vollkommen gleichmäßig plastifiziertes Material erhalten, wobei dessen Weiterverarbeitung zu Granulaten, Walzfellen und -platten in allen Fällen mit den üblichen Einrichtungen einwandfrei verlief.
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- 8 -Tabelle 1
Beispiel Nr.
11
Suepeneions-PVC, K-Wert 65 Emuleions-PVC, K-Wert 60 Emulsione-PVC, K-Wert 55
Suapeneione-PVC, K-Wert 70
100 100 50
50
1OO
50 50 100
Pfropfpolymerisat von 50 Gew.Tl. Vinylacetat-Äthylen (62«38 Gew.%) auf 50 Gew.Tl. PVC
Copolymerisat von Vinylacetat-Äthylen (60:4o Gew. 94)
Polyäthylen mit Schmelzindex 20 Polyacrylat z.B. Paraloid K 120 N
1OO
2,0 1OO
Benzylbutylphthalat 15 22 22,5
Dioctylphthalat 20 22 22,5
Dioctyladipat 4,4 4,5
epoxidiertes Sojabohnenöl 5
68
0,8 Tl. 28 Siges Bleietearat + 0,2 Tl. Stearinsäure
Flüssiger Zinnstabilisator Flüssiger Ba/Cd-Stabilisator Fester Ba/Cd-Stabilisator Fester Ca/zn-Stabilisator Bleistabilisator
2,5 3,0 2,5 1,5 2,5 0,5
3,5 1 1
3,5 3,5
Äußeres Gleitmittel 1 Paraffinöl
Äußeres Gleitmittel 1 Amidwachβ (Antiblocking)
Äußeres Gleitmittel 1 Paraffinwachs
Äußeres Gleitmittelt 12-Hydroxystearinsäure
0,5 4,4
0,5
0,5 0,5 0,3 0,3
0,2 0,2
Azodicarbonamid Zinkoxid aktiv Natriumhydrogencarbonat TriSthylenglykoldimethacrylat
4 0,1
4,5
0,5
5,0
Talkum
Kreide
Titandioxidpigment Pigment (Vetram-blau S 2787) Kieselsäure
Kieselkreide (Gemenge von Kaolinit und Quarz)
20 60 4 4 O.022 o,022
90
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Tabelle 2 Beispiel Stator Rotor Mantel- Nr. gemäß (U/min) (OCF*
zus.Weichmacher (Dioctylphthalat) (kg/h)
Produkt Durchsatz (kg/h)
Lochscheibe
vorgesetzt?
(mm/i*)
Ergebnis
1 Fig.2b 4.l6o 250
2 Fig.2b 4.l60 40
3 Fig.2b 4.3OO 223
11.5
76,5 ja / 4O
76,5 ja / 40
nein/ -
4 Fig.2a 4.l6o 115
20
5 Fig.2a 1.970 170
nein/ -
nein/ -
Brocken, durchschnittlicher Durchmesser: 12 mm; keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangssubstanz.
vie oben.
Würstchen, durchschnittlicher Durchmesser: 5 mm: Länge ca. 15 mm; keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangssubstanz .
Brocken, durchschnittlicher Durchmesser: 5 mnl; sie wurden sofort gekühlt und zeigten dann praktisch keine Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangs-BUbstanz.
Würstchen, wie im Versuch J beschrieben) keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangssubstanz.
6 Fig.2a I.080 175 7 Fig.2b 2.375 I60
2O
8 Fig.2b 4.3OO 26O
9 Fig.2a 4.160 202
ca. 10
<1
Fig.2a 4.160 2O2 Fig.2b 1.970 150 nein/ - klebrige Würstchen, wie
im Versuch 3 beschrieben) keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangssubstanz.
nein/ — Würstchen, durchschnittlicher Durchmesser: 6 mn; Länge: 40 mm{keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich ζι·χ· Ausgangssubstanz.
ja / 15 endloser Strang) keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zur Ausgangs— substanz.
nein/ - Würstchen, durchschnittlicher Durchmesser: 4 ms; Länge: 12 mm;keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zum Ausgangsprodukt.
nein/ - Brocken, durchschnittlicher Durchmesser: 18 mm; keine meßbare Stabilitätsveränderung im Vergleich zum Ausgangsprodukt .
nein/ - Würstchen, durchschnittlicher Durchmesser: 5 mm; Länge: 25 ram; milchig weiß.
lit Kühlwasser gekühlt.
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Claims (3)

Patentansprüche
1) Verwendung eines zentrisch-zylindrischen Rotationsmischers, bestehend aus einem Rotor mit an seiner Oberfläche angebrachten Noppen, Rippen oder dergleichen und einem Stator, der ebenfalls mit entsprechenden Noppen, Rippen oder dergleichen versehen ist, wobei die höchsten Erhebungen des Rotors und des Stators einen gleichförmigen zylindrischen Ringspalt umhüllen, dessen radiale Breite höchstens der Höhe der Noppen, Rippen oder dergleichen entspricht, zum Plastifizieren von plastifizierbaren Massen*
2) Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der zentrisch-zylindrische Rotationsmischer mit einer als Einzugsschnecke ausgebildeten Einzugszone versehen ist.
3) Verwendung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß der als Einzugszone ausgebildete obere Teil des Rotors 5 bis 40 %, vorzugsweise 5 bis 20 %, der Gesamtlänge ausmacht und die Noppen, Rippen oder dergleichen im Bereich der Plastifizierzone schraubenförmig angeordnet sind, wobei der Steigungswinkel der Schraubenlinie zwischen 15 um
liegt.
15 und 30 und der Winkel der Noppenflanken zwischen 45 und
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