DE2530018C2

DE2530018C2 - Mischkopf zum Herstellen einer polymerisierbaren Mischung aus einer Mehrzahl von Mischungskomponenten

Info

Publication number: DE2530018C2
Application number: DE2530018A
Authority: DE
Inventors: Andrew Bernhard Copley Ohio Lehnert
Original assignee: Upjohn Co
Current assignee: Pharmacia and Upjohn Co
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-07-04
Publication date: 1983-06-01
Also published as: US3902850A; DE2530018A1

Description

dpdurch gekennzeichnet, daß

c) die Umfangswand (13) kegelstumpfförmig ist und die Rippen (70) mit ihren zur Umfangswand (13) k&mplementaren Rücken in Abstreifberührung zu letzterer stehen;

d) der Drehsinn der Rippen ('. U) und der Drehsinn der Nuten (80) dem Arbeitsdrehsinn des Mischrotors (14) entgegengesetzt sind; und

e) die Stirnfläche des Mischrotors (14) im wesentlichen eben durchgehend ist und in Abstreifberührung mit der Endwand (56) des Gehäuses (12,22) steht und am Rand mit aschenförmigen Ausnehmungen (58) versehen ist, welche die Mischungskomponenten-Umlenkmittel bilden.

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2. Mischkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Breite der Rückenflächen der Rippen (70) und ihrer Ganghöhe zwischen 1 :3 und 1 :5 beträgt.

3. Mischkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (70) und die Nuten (80) in Umfangsrichtung unter gleichem Winkelabstand verteilt sind.

4. Mischkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Rippen (70) und ss sechs Nuten (80) vorgesehen sind.

5. Mischkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischrotor (14) über eine an der Endwand der Mischkammer abgestützte Feder (48) an die kegelstumpfförmige Umfangswand (13) der Mischkammer angelegt ist.

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Die Erfindung betrifft einen Mischkopf zum Herstellen einer polymerisierbaren Mischung aus einer Mehrzahl von Mischungskomponenten gemäß dem

Oberbegriff des Anspruches 1,

Ein derartiger Mischkopf ist in der US-PS 31 11389 beschrieben- Bei ihm hat der Mischrotor zylindrische Gestalt und ist in die ebenfalls zylindrische Mischkammer unter engem Abstand der flächigen Rücken seiner Rippen zur Mischkammer-Umfangswand eingesetzt In die Rippen sind Nuten mit entgegengesetztem Drehsinne eingeschnitten. Der einlaßseitige Endabschnitt des Mischrotors ist käfigähnlich ausgebildet, so daß die durch die Mischkamoierendwand zugeführien Mischungskomponenten axial in den Mischrotor eintreten und durch zwischen den ersten Gängen der Rippen liegende Durchbrechungen zur Umfangswand der Mischkammer hin austreten können.

Bei zylindrischer Gestalt des Mischrotors ist es nicht möglich, eine Gleitberührung zwischen den Rücken der Rippen und der Umfangswand der Mischkammer im Dauerbetrieb aufrechtzuerhalten. Außerdem können sich in dem käfigähnlich ausgebildeten Endabschnitt des Mischrotors ausgehärtete Materialanteile ansammeln, welche sich nur umständlich mechanisch und unter Zuhilfenahme von Lösungsmittel entfernen lassen. Der Mischkopf muß also zur Reinigung in Abständen außer Betrieb genommen werden, was einen erheblichen Zeitaufwand und entsprechenden Produktionsausfall bedeutet

Durch die Erfindung soll daher ein Mischkopf der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art geschaffen werden, der sich im Dauerbetrieb selbst reinigt so daß ein intermittierendes Spülen mit einem Lösungsmittel nicht notwendig ist

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch einen Mischrotor gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Mischkopf läuft der Mischrotor in formschlüssiger Abstreifberührung auf sämtlichen Wänden der Mischkammer, sowohl auf der kegelstumpfförmigen Umfangswand derselben als auch auf der ebenen Endwand. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß sich an den Wänden der Mischkammer kein polymerisierbares Materal festsetzen kann. Da die Rippen des Mischrotors und die sie durchsetzenden Nuten gleichen Drehsinn haben, ist gewährleistet, daß das Material in der Mischkammer einerseits gut und schonend durchgemischt wird (ein zu starkes Rühren würde zu »Restspannungen« in der Mischung führen, die später zu Unregelmäßigem im Zellgefüge des Endproduktes führen), andererseits von den Wänden der Mischkammer abgeschabtes Material intensiv mit dem zu mischenden viskosen Material vermischt wird und zusammen mit letzterem zuverlässig zur Austragöffnung des Mischkopfes gefördert wird.

Es ist zwar an sich bekannt (vergleiche die US-PS 29 69 960), die Umfangswand der Mischkammer eines Mischkopfes kegelstumpfförmig zu wählen und dem Mischrotor im wesentlichen komplementär kegelstumpfförmige Gestalt zu geben. Auch bei diesem bekannten Mischkopf laufen aber die Rippen des Mischrotors unter Abstand von der Umfangswand der Mischkammer, und das obere Ende des Mischrotors trägt Schaufeln, welche zum Fördern des Mischgutes durch die Mischkammer dienen. Die Rippen des Mischrotors verlaufen in zur Rotorachse transversalen Ebenen und sind mit fluchtend hintereinanderliegenden Unterbrechungen versehen, welche ein Durchspülen der Mischkammer zu Reinigungszwecken erleichtern. Auch bei diesem bekannten Mischkopf hat man somit keine kontinuierliche Selbstreinigung durch Abstreifberührung zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen von Misch-

rotor und Mischkammer,

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 wird erreicht, daß dann, wenn ein Spiel zwischen Mischrotor und den Mischkammerwänden auftritt, dieses Spiel zwischen der Stirnfläche des Mischrotors und der Endwand der Mischkammer liegt, also an derjenigen Stelle, bei welcher die Gefahr eines Aushärtens von Mischungsbestandteilen geringer ist

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Mischkopfes ohne Kühlmantel,

F i g. 2 einen teilweise weggebrochenen Längschnitt durch den Mischkopf nach Fig. 1 und den diesen umschließenden Kühlmantel,

F i g. 3 einen Schnitt längs der Linie 3-3 von F i g. 2,

F i g. 4 eine Seitenansicht des Rotors des Mischkopfes, und

Fig.5 eine ebene Abwicklung eines Teiles der Rotoroberfläche.

Eine in F i g. 1 in auseinandergezogener Darstellung veranschaulichte Mischdüse 10 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 12, einem Rotor 14 und einer mit Gewinde versehenen Endkappe 16. Im betriebsbereiten Zustand gemäß F i g. 2 ist die Mischdüse 10 abnehmbar an der Unterseite eines Körpers 18 eines Mischkopfes 20 montiert wie er üblicherweise bei Anlagen für die Herstellung von Polyurethan- und ähnlichen Polymerschaumstoffen verwendet wird. Die Mischdüse 10 ist dabei trennbar auf einem mit Gewinde versehenen Anguß 22 an der Unterseite des Körpers des Mischkopfes 20 aufgeschraubt wobei der Anguß in eine Gewindebohrung 24 des Gehäuses eingreift Das Mischdüsengehäuse ist von einem Kühlmantel 26 umschlossen, der durch die auf das untere Ende des Mischdüsengehäuses aufgeschraubte Endkappe 16 in seiner Lage gehalten wird. Dichtungen 28 dienen zur Herstellung einer wasserdichten Abdichtung zwischen dem Kühlmantel 26 und der Außenseite des Gehäuses

12 an Schultern 30 und 31, so daß eine über Zuleitungen 34 beschickte Kühlmittelkammer 32 gebildet wird.

Das offenendige Gehäuse 12 besitzt eine Innenfläche

13 mit einer glatten Kegelstumpfform. Der Rotor 14 ist komplementär kegelsiumpfförmig ausgebildet. Eine bei 38 im Mischkopf 20 gelagerte Welle 36 ist in den unteren Teil einer im Rotor 14 ausgebildeten, abgesetzten Bohrung 40 eingeschraubt, und ein nicht dargestellter Motor ist für den Antrieb des Rotors mit der Welle verbunden. Die Welle 36 ist mit einer diametralen Bohrung zur Aufnahme eines Haltestifts 42 versehen, der sich im oberen Ende des erweiterten bzw. aufgebohrten Teils der Bohrung 40 befindet. Eine mit einer Ausnehmung zur Aufnahme und Festlegung des Haltestifts 42 versehene, ringförmigeLagerdichtung 44 umschließt die Welle und bildet eine Gleitdichtung an der abgestuften bzw. erweiterten oberen Wand der Bohrung 40. Die Lagerdichtung 44 wird dabei durch eine die Welle 36 umgebende Schraubenfeder 46 axial nach oben gedrückt. Die Feder 46 stützt sich mit ihrem unteren Ende an einer Stufe 48 der Bohrung 40 ab, und sie liegt an einer zwischen sie und die Lagerdichtung 44 eingefügten Scheibe 50 an. Die Lagerdichtung 44 wird auf diese Weise an die Unterseite des Angusses 22 des Mischkopfes angedrückt, so daß sie die Welle 36 und das Wellenlager 38 gegenüber dem Inneren des Gehäuses 12 abdichtet In einer am oberen Ende der Bohrung 40 in deren Innenwand ausgebildeten Ringnut 54 ist ein O-Ring 52 angeordnet, der innerhalb der Bohrung 40 an der Umfangsfläche der Lagerdichtung 44 anliegt
Bei der dargestellten Ausführungsform ist die abgestufte Bohrung 40 von der an der Stirnfläche des Angusses 22 anliegenden weiteren Grundfläche 56, an welcher die Komponenten eingeführt werden, her in den Rotor eingebohrt In die diese Bohrung umschließende Umfangsfläche des Rotors 14 sind an dessen Stirnfläche mehrere radial gerichtete taschenförmige Ausnehmungen 58 eingefräst welche aus F i g. 3 besser ersichtliche Verteilerschaufeln 60 bilden. Die Verteilerschaufeln 60, die in Axialrichtung eine vergleichsweise geringe Tiefe besitzen, stehen von einem kreisförmigen Steg- oder Nabenabschnitt 62 des Rotors radial nach außen ab. Die Oberseiten dieser Verteilerschaufeln 60 liegen an der Stirnfläche des Angusses 22 an, so daß sie diese Stirnfläche bei sich drehendem Rotor effektiv abstreifen.

Die flüssigen Komponenten des Pr'vmergemisches werden über Zuleitungen 64 zu getrennten Kanälen 66 im Mischkopf 20 zugeführt, wobei in diesen Kanälen angeordnete Ventile 67 zur Steuerung der Zufuhr der einzelnen Komponenten an den Einlassen 68 in der Stirnfläche des Angusses 22 dienen. Die flüssigen Komponenten werden somit bei sich drehendem Rotor in dessen Ausnehmungen 58 hineingefördert

Die Außenfläche des Rotors 14 ist mit spiralwendelförmigen Rippen 70 besetzt die sich über die gesamte Axialausdehnung des Rotors erstecken.

Neben ihrer Wendelform besitzen diese Rippen 70 infolge der Schräge der Kegelstumpffläche des Rotors auch eine Spiralkomponente. Die Rippen besitzen einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt, und ihre flachen Rücken 72 stehen in Gleitberührung mit der Innenfläche 13 des Gehäuses 12, so daß zwischen dem Rotor und dem Gehäuse ein spiralwendelförmiger Kanal 76 mit rechteckigem Querschnitt gebildet wird, welcher als langgestreckte Mischkammer für die Komponenten dient Bei der Drehung des Rotors 14 bewirken die Rippen 70 eine Förderung der flüssigen Komponenten durch den Kanal 76 zur Austragöffnung 78 in der Endkappe 16.

Die Rippen 70 sind längs ihrer Wendelbahrr durch eine Reihe von Nuten 80 unterbrochen, Jie ebenfalls wendelförmig, jedoch mit größerer Steigung als die Rippen 70 in die Oberfläche des Rotors eingestochen sind. Diese Nuten besitzen daher ebenfalls eine spiralwendelförmige Gestalt. Die Nuten 80 verlaufen in gleicher Richtung wie die Rippen 70. Der Hauptzweck dieser Konstruktion besteht darin, einen Übertritt des Polymergemisches zwischen benachbarten Kanälen 76 an zwischen den Enden liegenden Stellen auf der Umtangsfläche des Rotors zu ermöglichen, bevor das Gemisch aus der öffnung 78 ausgetragen wird

Wie erwähnt, liegt das obere Ende des Rotors 14 praktisch in der gleichen Ebene wie die angrenzende Stirnwand des Angusses 22 (bzw. der Gewindebohrung so 24). In der Praxis ist jedoch typischerweise ein Abstand von etwa 0,64 mm vorgesehen. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß nicht nur durch die die Zulasse 68 umgebenden Verteilerschaufeln 60 eine wirksame Abstreifwirkung hervorgebracht wird, sondern auch ein beträchtliches Hindernis für einen Umgehungs- oder Querstrom zwischen djn Einlassen gewährleistet wird. Auf diese Weise wird eine Vermischung der Komponenten an den Einlassen selbst auf ein Mindestmaß

herabgesetzt, wodurch die Ansammlung von polymerisiertem Material an den Einlassen klein gehalten wird.

Zwischen den flachen Rücken 72 der Rippen 70 und der angrenzenden Mischdüsenwand werden ebenfalls enge Maßtoleranzen eingehalten, die typischerweise in > der Größenordnung von etwa 0,05—0,25 mm liegen. Das Gemischaustragende der Mischdüse ist aufgrund der Austragöffnung 78 ständig offen, und zwischen der Wand 13 und der Austragöffnung 78 ist ein glatter bzw. stufenloser Übergang vorgesehen, so daß sich an dieser in Stelle kein polymerisiertes Material absetzt. Selbst wenn sich an den nicht vom Rotor bestrichenen Wandflächen der Austragöffnung eine nennenswerte Menge an polymerisiertem Material absetzen sollte, kann bei nur kurzzeitiger Betriebsunterbrechung eine Reinigung dadurch vorgenommen werden, daß einfach die Endkappe 16 abgeschraubt und durch eine saubere Endkappe ersetzt wird. Obgleich nicht dargestellt, kann sich der Rotor 14 axial in die Austragöffnung 78 hinein Weise werden die Nuten 80 mittels eines Stirnfräsers eingestochen, nachdem der Rotor zur Berücksichtigung der unterschiedlichen Wendelsteigung umgespannt worden ist.

Es ist eine Mehrgang-Rippenanordnung vorgesehen, bei welcher die einzelnen Gänge um die Rotorachse herum in Abständen von 120° angeordnet sind. Dabei sind sechs Nuten 80 vorgesehen, die um die Rotorachse herum unter gleichem Abstand angeordnet sind.

Die speziellen Abmessungen der Rippen und Nuten des Rotors hängen selbstverständlich von der Rotordreh/ahl, der chemischen Zusammensetzung und der Viskosität des Gemisches sowie der Temperatur und Durchsatzmenge des Produkts ab. Bei einer typischen Durchsatzmenge von etwa 5.44 kg'min bei einem typischen Polyurethangemisch mit einer Viskosität von etwa 1,2 Pa · s (1200 cp) besitzt ein praktisches Ausführungsbeispiel des Rotors eine Länge von etwa 82,55 mm bei einem größeren Durchmesser von etwa 38,1 mm und

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enden, doch wird die dargestellte versenkte Anordnung des Rotorendes bevorzugt, um auf den austretenden Gemischstrom eine ausreichend große Drosselwirkung auszuüben und seine Tendenz zu einem bogenförmigen Ausströmen, durch welches die genaue Zufuhr zu einer das Gemisch aufnehmenden Form schwierig wird, weitgehend auszuschalten.

Die Beziehung der Breite der Kanäle 76 und der Breite oder Dicke der Rippen 70 ist von Bedeutung. Die Breite der Rippenscheitel sollte etwa '/3 bis '/5 des Abstands zwischen benachbarten Rippen betragen, damit die gewünschte Zurückhaltung des Polymergemisches in der Mischdüse zur Herbeiführung einer einwandfreien Homogenisierung gewährleistet wird.

Aus der Überschneidung der Nuten 80 mit den Rippen 70 erhält man eine Reihe von einseitig angestellten, das Mischgut auf Scherung beanspruchenden Schrägflächen 92 an jedem Ende der Rippensegmente, von denen die eine aufwärts und die andere abwärts weist. Die Rippengeometrie mit einseitig angestellten Schrägflächen, die jeweils in einer scharfen, meißelartigen Kante eines Rippensegments auslaufen, bringt eine bessere Homogenisierung der Gemischkomponenten ohne übermäßiges Rühren und ohne physikalische Hemmung des Mischgutflusses oder Einführung von Störungen, welche die chemische Umsetzung der Komponenten und die Isotropie des hierbei entstehenden Schaumzellgefüges nachteilig beeinflussen wurden. Bei gleichbleibender Breite der Nuten 80 nimmt die Länge der unterbrochenen Rippensegmente ersieht- !icherweise zum Auslaßende der Mischdüse hin ab, weil d?^r RotordurchmejSer ebenfalls in dieser Richtung abnimmt.

Bei der Herstellung des aus Metall oder aus einem Kunststoffguß- oder -formteil bestehenden Rotors wird ein kegelstumpfförmiger Rohling entsprechend in einem Aniriebsspannfutter einer Fräsmaschine eingespannt, worauf die spiralwendelförmigen Rippen 70 mittels eines Stirnfräsers ausgebildet werden, während der Rotorrohling langsam gedreht wird. Auf ähnliche Hierbei beträgt der Steigungswinkel der Rippen 70 /ur Rotorachse etwa 60° und derjenige der Nuten 80 etwa 45°. Die Breite der Nuten 80 beträgt etwa 7,94 mm.

Mischdüsen der beschriebenen Art sind speziell dann von Vorteil, wenn beim Herstellungsvorgang kurze Polymeraustragzeiten verlangt werden, z. B. wenn nur geringe Polymeranteile (einige zig Gramm) in genau bemessener Menge periodisch in eine Reihe von kontinuierlich vorgeschobenen Formen ausgetragen werden. In diesen Fällen ist es in der Praxis nicht möglich, den Form- oder Gießvorgang zu verlangsamen, um ein Lösungsmittelspülen im Intervall bis zur Ankunft der nächsten Form an der Austragstation durchführen zu können. Im allgemeinen steht dabei höchstens eine sehr kurze Zeitspanne in der Größenordnung von einigen Sekunden zur Verfugung. Jeder Versuch, während einer so kurzen Zeitspanne die Mischdüse durchzuspülen, wirft Probleme bezüglich einer Änderung des Mischungsverhältnisses aufgrund von Spuren von Restlösungsmittel in der Mischdüse auf, was selbstverständlich für die physikalischen Eigenschaften des Endprodukts nachteilig ist. Andererseits ist auch ein kontinuierliches bzw. ununterbrochenes Austragen des Gemisches praktisch nicht durchführbar, weil dabei viel Abfall im Zeitraum zwischen der Wegbewegung einer ersten Form und der Ankunft einer folgenden Form an der Austragstelle anfällt. Frühere Erfahrungen mit bekannten Mischdüsen unter den angegebenen Bedingungen haben gezeigt, daß in Abständen von bestenfalls durchschnittlich zwei bis drei Stunden eine vollständige Betriebsunterbrechung des Mischkopfes sowie ein Zerlegen und eine manuelle Reinigung des Mischdüsengehäuses und des Rotors erforderlich sind. Unter Verwendung der oben beschriebenen Mischdüsenanordnungen konnte, mit Ausnahme eines Auswechselns der Endkappe nicht öfter als einmal pro Tag, ein ununterbrochener Betrieb realisiert werden, wobei dieses Auswechseln der Endkappe innerhalb von Sekunden und ohne Unterbrechung des Mischkopfbetriebs erfolgen kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Mischkopf zum Herstellen einer polymerisierbaren Mischung aus einer Mehrzahl von Mischungskomponenten, mit

a) einem rotationssymmetrischen Gehäuse, welches eine Umfangswand und eine ebene Endwand aufweist, in weiche Einlaßöffnungen für die Mischungskomponenten ausmünden, wobei das offene Ende der Umfangswand eine Gemisch-Austragöffnung vorgibt; und

b) einem im Gehäuse in vorgegebenem Arbeitsdrehsinne umlaufenden Mischrotor, der seiner- seits aufweist:

ba) einen auf der Endwand gleitenden Stirnwandabschnitt,

bb) Mittel zum Umlenken der Mischungskomponenten von den Einlaßöffnunger, zur Umfangswand des Gehäuses,

bc) wendeiförmige Rippen, welche einen der Umfangswand unter engem Abstand gegenüberliegenden flächigen Rücken aufweisen,

bd) Nuten, welche mit von der Steigung der Rippen verschiedener Steigung die Rippen durchschneiden,