DE2537915B2

DE2537915B2 - Misch- und Knetvorrichtung für eine Strangpresse zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen

Info

Publication number: DE2537915B2
Application number: DE2537915A
Authority: DE
Inventors: Nickolas N. Cheshire Mass. Sokolow (V.St.A.)
Original assignee: Beloit Corp
Current assignee: Beloit Corp
Priority date: 1974-08-26
Filing date: 1975-08-26
Publication date: 1980-01-17
Also published as: JPS5815303B2; JPS5184854A; CA1036153A; IT1042028B; FR2282991A1; DE2537915A1; GB1518346A; DE2537915C3; US3945622A; FR2282991B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Misch- und Knetvorrichtung für eine Strangpresse zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen mit einer Förderschnecke und mehreren dem Schneckengang nach- κ geordneten, sich mitdrehenden Stauringen auf einem Foruatz der Förderschnecke, wobei die im axialen Abstand voneinander angeordneten Stauringen mit ringweise im Querschnitt unterschiedlichen winkelversetzten Durchtrittsöffnungen versehen sind, zwischen fto denen radial erhöhte Umfangsteile verlaufen, die sich bis zur Innenwandung des Schneckengehäuses erstrecken.

Beim Strangpressen von harzhaltigen thermoplastischen Kunststoffen ist es von wesentlicher Bedeutung, M daß durch das Plastifizieren eine zufriedenstellend gleichförmige Schmelze und Mischung von Partikeln oder Körnern erreicht wird, die der Strangpresse zugeführt werden. Im allgemeinen umfassen solche Strangpressen eine hohle Trommel, in der das Kunststoffmaterial zum Plastifizieren erhitzt wird, wobei ein Schneckengewinde die Mischung und Förderung des Materials zur Preßmatrize oder Düse hin besorgt. Körner mit hohem Molekulargewicht widerstehen oft dem Schmelzvorgang während der Erhitzung und Förderung innerhalb der Strangpresse, weshalb es bekannt ist, mehrere dem Schneckengang nachgpordnete, sich mitdrehende Stauringe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 vorzusehen, womit die Erfindung von der FR-PS 12 83 938 ausgeht. Für eine Plastifiziervorrichtung mit sich nicht mitdrehenden Stauscheiben nach der US-PS 25 05 355 ist es zudem bekannt, daß die Durchtrittsöffnungen in den Stauring-.n in Strangpreßrichtung im Sinne eines Kleinerwerdens kaskadenförmig abgestuft sind, um stufenweise immer kleinere Partikel des zu plastifizierenden Stoffes abzuscheren.

Ob sich die Stauringe mit der Förderschnecke mitdrehen oder nicht, wegen der scheibenartigen Gestalt der Staunnge bestehi bei den vorbekannien Misch- und Knetvorrichtungen die Gefahr der Verstopfung. An der axialen Förderung des Stoffes können nur die Stoff-Fäden beteiligt sein, die im Einzugsgebiet einer jeden Durchtrittsöffnung liegen. In dem überwiegenden Teil des Raumes zwischen zwei Stauringen bekannter Art kann Stoff mitdr^hend in toten Räumen liegenbleiben. Es besteht keine Möglichkeit, in diesen toten Räumen dem Stoff noch eine Relativbewegung aufzuzwingen, um ihn in Bewegung zu versetzen und irgendwie doch noch in das Einzugsgebiet der Durchtrittsöffnungen gelangen zu lassen. Die hängenbleibenden Stoffmengen können mehr und mehr die unter dem Druck der Förderschnecke bewegten Stoffmengen abbremsen, so daß die Räume vor den Durchtrittsöffnungen bis zur Verstopfung stetig kleiner werden. Mit diesem Zuwachsen der Durchtrittsöffiiungen ist auch eine Leistungsminderung verbunden. Dies trifft auch für eine Mischvorrichtung nach der US-PS 34 86 192 zu.

Es ist auch eine Misch- und Knetvorrichtung für das Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen mit mehrgängiger Förderschnecke bekannt, bei der Stauelemente und Durchtrittsquerschnitte zwischen und in den Schneckengängen angeordnet sind. Hier können zwar keine toten Räume entstehen, in denen der zu plastifizierende Stoff liegenbleiben und zu Verstopfungen führen kann, jedoch ist die Herstellung einer mit Stauelementen vereinheitlichten Förderschnecke sehr kompliziert und teuer. Die Erfindung greift daher die von einer Förderschnecke räumlich getrennten Mischumi Knetvorrichtungen nach der FR-PS 12 83 938 und der US-PS 25 05 355 auf, um diese baulich einfachere Technologie weiterzuentwickeln.

Der im Patentanspruch I offenbarten Misch- und Knetvorrichtung liegt die Aufgabe zugrunde, der Verstopfungsgefahr und der Leistungsminderung von Misch- und Knetvorrichtungen der Gattung wirksam zu begegnen, ohne auf die aufwendige Konstruktion mit Stauelenienten und Durchtrittsöffnungen im Bereich der Förderschnecke zurückgreifen zu müssen. Die Lösung dieser Aufgabe besteht aus den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Durch den erfindungsgemäßen zick-zack-förmigen Verlauf der Stauringe werden nicht nur Bereiche geschaffen, die quasi die Förderwirkung der Förderschnecke auch im Misch- und Knetbereich fortsetzen,

sondern auch solche mit Durchtrittsöffnungen versehene Kaskadenbereiche, die entgegengesetzt wirken und den vorwärts bewegten Stoffmengen entgegenarbeiten. Hierdurch bestreichen die Kaskadenbereiche bei ihrem Umlauf einen ihrer Länge entsprechenden Ringraum, in ί dem keine toten Räume entstehen können. Die Plastifizierung des thermoplastischen Kunststoffes wird ferner dadurch gefördert, daß die die Durchtrittsöffnungen tragenden, rückfördernd wirkenden Kaskadenbereiche von aufeinanderfolgenden Stauringen in Strangpreßrichtung im Sinne eines Kleinerwerdens der Durchtrittsöffnungen abgestuft sind, wodurch stufenweise immer kleinere Partikel des zu plastifizierenden Stoffes abgeschert und der Stoff somit stufenweise aufgeschlossen wird. Dieser Gedanke ist — wie schon ausgeführt — durch die US-PS 25 05 355 vorgezeichnet.

Wenn nach einem weiteren Erfindungsvorschlag jeder Kaskadenbereich mit der Innenwandung des Schneckengehäuses kreisringförmige radiale Durchtrittsspalte bildet, wird der Sektor, auf dem die Durchtrittsspalte offen sind, erhöht. Zweckmäßig nimmt die Tiefe der kreisringförmigen radialen Durchtrittsspalte in Strangpreßrichtung ringweise um oie Hälfte derjenigen des vorhergehenden Stauringes ab, um ebenso wie durch das Kleinerwerden der Durchtriusöffnungen der Stauringe in Strangpreßrichtung gröbere Partikel oder Körner des zu plastifizierenden Stoffes in jeder Staustufe solange am Durchtritt zu hindern, bis sie durch die Erhitzung eine durch die Spalttiefe vorherbestimmte Größenordnung eingenommen haben.

Wenn - wie es aus der FR-PS 12 83 938 für ungewellte Stauringe bekannt ist — die schraubenförmige Aufeinanderfolge der Durchtrittsöffnungen in den Stauringen entgegengesetzt zum Verlauf des Schnekkenganges der Förderstrecke ist, wird empfohlen, daß J5 die Wechselpunkte zwischen den Abstreichbereichen mit fördernd wirkenden radial erhöhten Umfangsteilen und den mit Durchtrittsöffnungen versehenen Kaskadenbereichen eines vorhergehenden Stauringes etwa auf die Mitte der in axialer Richtung nachgeordneten Kaskadenbereiche gerichtet sind. Der Effekt dieser Maßnahme ist darin zu sehen, daß der in Strangpreßrichtung geförderte Stoff überwiegend auf einen Kaskadenbereich des nachgeordneten Stauringes auftrifft und dort besonders wirksam abgeschert wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Misch- und Knetvorrichtung zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch einen Teil einer Strangpresse mit der Forderschnecke vorgeordneter Misch- und Knetvorrichtung,

Fig.2 eine vergrößerte Teilansicht der Misch- und Knetstufe,

Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt nach der Linie III-lllinFig. 1,

Fig.4 eine Abwicklung der Mischstufe in Zeichenebene, und

Fig. 5 bis 8 Teilschnitte nach den Linirn V-V, Vl-Vl, VII-VlI und VIII-VIII in Fig. 4. bo

Gemäß F i g. 1 umfaßt eine Strangpresse zum Einspritzen von plastifiziertem Kunststoff in eine Strangpreßdüse ein Schneckengehäuse 10 mit einer zylindrischen Innenwandung II, innerhalb der eine Förderschnecke 12 mit einem oder mehreren Schnek- h^ri kengängen 13 Kunststoff, der dem Gehäuse an einer Stelle stromaufwärts von dem Gehäuse zugeführt wird, nach einem Düsendurchgang 14 mit verengtem Querschnitt fördert. In einem bestimmten Abstand stromaufwärts von dem Düsendurchgang 14 befindet sich eine Entlüftungsöffnung 15 zum Abziehen von flüchtigen Bestandteilen aus dem Schneckengehäuse.

Der Förderschnecke 12 ist eine allgemein mit 17 bezeichnete Misch- und Knetstufe vorgeordnet. Die Misch- und Knetstufe 17 ist funktionell mit der Förderschnecke 12 einheitlich und erhält den Kunststoff von den Schneckengängen 13 der Förderschnecke. Während bis zum Beginn der Misch- und Knetstufe der Kunststoff weitgehend durchgemischt und durch Erhitzen plastifiziert wurde, ist noch ein wesentlicher Teil von nicht plastifizierten Körnern und Partikeln vorhanden, die in der Misch- und Knetstufe 17 durch dynamisches Hin- und Herbewegen sowie Abschervorgänge beseitigt werden sollen.

Die Misch- und Knetstufe besteht im Ausführungsbeispiel aus drei in Strangpreßrichtung aufeinanderfolgenden, zick-zack-förmig verlaufenden Stauringen 18, 19, 20, die mildrehend auf der verlängerten Welle der Förderschnecke 12 angeordnet sind. ]-. der der Stauringe hat im wesentlichen denselben Aufbau un i Abstand von dem benachbarten Stauring, jedoch sind unterschiedliche Abstände u. U. erwünscht, jeder der Stauring? 18, 19, 20 hat aufeinanderfolgende, abwechselnd stromabwärts -nd stromaufwärts gerichtete Bereiche, die abwechselnd im Sinne der Förderschnecke fördernd und entgegen der Förderschnecke rückfördernd wirken. Die fördernd wirkenden Bereiche werden von radial erhöhten Umfangsteiien. den Abstreichbereichen 24, mit den Stirnflächen 27 gebildet, die bis /ur Innenwandung 11 des Schneckengehäuses 10 reichen, wie F i g. 3 zeigt.

Zwischen diesen Abstreichbereichen 24 hat jeder Stauring rückfördernd wirkende Bereiche mit Durchtrittsöffnungen zur Erzielung eines Abschereffektes. sog. Kaskadenbereiche. Der Stauring 18 trägt die Kaskadenbereiche 21, der Stauring 19 die Kaskadenbereiche 22 und der Stauring 20 die Kaskadenbereiche 23. Wie am besten aus F i g. 3 und 4 ersichtlich ist. hat jeder der Stauringe 18, 19, 20 drei in gleichem Abstand voneinander angeordnete Kaskadenbereiche 21, 22, 23. In Umfangsrichtung sind die Kaskadenbereiche größer als die dazwischen liegenden Abstreicnbereic^e 24 der Stauringe. Auch ist aus Fig. 4 ersichtlich, daß die Kaskadenbereiche 21, 22, 23 über die seitlichen Stirnflächen 25 der Stauringe entgegen der Strangpreßrichtung fördern, wogegen die dazwischen liegenden Abstreichbereiche 24 mit den seitlichen Stirnflächen 27 der Stauringe im Sinne der Förderschnecke 12 den Kunststoff vorwärtsbewegen.

Die Förderschnecke 12 dreht sich in Richtung des Pfeiles 28 in F i g. 2 'jnd 4. Der thermoplastische Kunst ",off wird demgemäß mit Hilfe der Schneckengänge 13 vorwärtsbewegt, wie durch die Richtungspfeile 29 angedeutet ist, und gelangt dadurch in den Bereich der Misch- und Knetstufe <7. Entlang dieser Misch- und Knetstufe 17 wird das Material durch die Kaskadenbereiche 21, 22, 23 bzw. deren Durchtrittsöffnungen hindurchgezwungen, die in Strangpreßrichtung im Sinne eines Kleinerwerdens der Durchtriiisöffnungen abgestuft sind, um ringweise nur Körner von Hllr.iählich kleinerwerdender Größe durchtreten zu lassen. Die Durchtrittsöffnungen bestehen aus kreisringförmigen radialen Durchtrittssoalten zwischen der Innenwandung Il des Schneckengehäuses JO und den Kaskadenbereichen 21, 22. 23 der Stauringe 18, 19, 20. Diese Durchtrittsspalte nehmen in Strangpreßrichtung ring-

weise urn die Hälfte derjenigen des vorhergehenden Stauringes ab. Zum Beispiel haben die Kaskadenbereiche 21 in dem Stauring 18 einen Durchtrittsspalt von ungefähr 0,15 cm (Fi g. 3 und 6), wogegen die Kaskadenbereiche 22 in dem Stauring 19 radiale Durchtrittsspalte von ungefähr 0,076 cm bilden (F i g. 7). Die Kaskadenbereiche 23 in dem Stauring 20 haben dann Durchtrittsspalte von ungefähr 0,038 cm Höhe (P i g. 8). F i g. 5 zeigt im übrigen, daß die Abscherbereiche 24 der Stauringe 18, 19, 20 einen Durchmesser haben, der fast dem Durchmesser der Innenwandung 11 des Schneckengehäuses 10 entspricht.

Geschmolzener thermoplastischer Kunststoff, der entlang der F-örderschnecke 12 in Richtung des ersten Stauringes 18 bewegt wird, kann die Kaskadenberckhe 21 im wesentlichen ungehindert durchqueren, so wie von den Richtungspfeilen 30 in F i g. 20 angedeutet ist. Dagegen werden ungeschmolzene Partikel, die größer als 0.15 cm im Durchmesser sind, von den Stirnflächen 25 des Stauringes 18 zurückgehalten, so wie von den Richtungspfeilen 31 in F i g. 2 angedeutet ist. wobei sie rückwärts in die nach vorwärts gerichtete Strömung des Kunststoffes getrieben werden und sich so lange auf den stromaufwärts gerichteten Seiten des Stauringes 58 bewegen, bis die übergroßen Partikel genügend abgeschmolzen sind und die Durchtrittsöffnungen des Kaskadenbereiches 21 durchqueren können. Durch die dynamische Antriebswirkung der Schneckengänge 13 und die rückwärts gerichtete Förderwirkung der Stirnflächen 25 des Stauringes 18 werden die übergroßen Partikel in konstanter Bewegung gehalten und können entlang der stromaufwärts gerichteten Seite des Stauringes nicht zum mitdrehenden Stillstand kommen.

Kunststoff, der hinter den Stauring 18 gelangt, bewegt sich weiter zum nächsten Stauring IS und durch die Kaskadenbereiche 22 weiter über und hinter den Stauring 19. so wie von den Richtungspfeilen 32 in F-" i g. 2 angedeutet ist. mit Ausnahme der ungeschmolzenen Partikel, die in bezug auf die Tiefe der Durchtrittsspalte in den Kasfcadenbereiclien 22 zu groß sind. Diese größeren Partikel werden rückwärts in Richtung der Richtungspfeile 33 in Fig. 2 in das Material abgeleitet, das sich in Richtung des Stauringes 19 bewegt. Die Vorwärtsbewegung des Kunststoffes von dem Stauring 18 nach dem Stauring 19 hin wird durch die seitlichen Stirnflächen 27 des Suuringes 18 hervorgerufen, wie durch die Richtungspfeile 34 in Fi g. 2 angedeutet.

Kunststoff, der hinter den Stauring 19 gelangt, bewegt sich zum letzten Stauring 20, wobei der plastifizierte Kunststoff sich weiter über die Kaskadenbereiche 23 bewegt, wie von Gen Richtungspfeilen 32, 33 in F i g. 2 angedeutet, wobei Partikel mit Obergröße in bezug auf die Durchtrittsspalte sich entlang den Kaskadenbereichen 23 bewegen und rückwärts getrieben werden, wie von den Richtungspfeilen 37 angedeutet ist. Die seitlichen Stirnflächen 27 des Stauringes 19 fördern die Masse vorwärts. Stromabwärts von dem Stauring 20 wird die Masse mit Hilfe der seitlichen Stirnflächen 27 des Stauringes 20 zum Düsendurchgang 14 hin gefördert.

Mit der Anordnung der gewellten Slauringe 18,19,2C und der ringweisen abgestuften Abnahme der Spalttic fen der aufeinanderfolgenden Kaskadenbereiche hall

"> jede Staustufe Partikel eines vorbestimmten Größenbc reiches von der Vorwärtsbeförderung in die nächste Stufe ab, bis schließlich die minimale Spaltweite de? Stauringes 20 erreicht ist, wobei die absolut höchste Abscherwirkung und maximale Durchmischung entlang

ίο der Knet- und Mischstufe 17 stattfindet. Hierdurch wire ein Zustopfen der letzten Stufe verhindert.

In jeder Stufe entlang der Knet- und Mischvorrich tung 17 ruft die [Einwirkung der Stirnflächen 25 cir /urückdrückcn derjenige festen Partikel hei vor, die /ι

r> groß sind, um die zugeordneten Kaskadenbereiche zi durchqueren, und zwar in einer rhythmischen unc pulsierenden Art und Weise, bis die rückwärt: geförderten Partikel durch die Plastifiziereinwirkunj der /'.!geführten Hitze verkleinert sind und den Stauring

Jo durchqueren können, um einer weiteren Größenredu zieriing in der nächsten Staustufe zu unterliegen. Di;s( rhythmische pulsierende Einwirkung auf die übergroßer Partikel in jeder Stufe tragen zur Durchmischung dei Schmelze bei. wie auch zur Vereinfachung dei

2-Ί Plastiii/.icning des Materials.

Die kürzeren Langen der Stirnflächen 27 können al· Verlängerungen der .Schneckengänge 13 der Förder schnecke 12 bezeichnet werden, da die Stirnflächen 27 dazu dienen, den Kunststoff in derselben Richtung

κι vorwärts zu treiben wie die .Schneckengänge 13. Die Antriebswirkung der Stirnflachen 27 in Vorwärtsrichtung kann im wesentlichen als Pumnwirkung bezeichnei werden, die jeden wesentlichen Verlust ausgleicht, der durch die Filterwirkung der Kaskadenbereiche in den

ι·Ί verschiedenen Stufen entlang dem Knet- und Mischbereich 17 hervorgerufen wird. Durch ihre Wechselbeziehung zu den rückwärts fördernden Stirnflächen 25 ist das Durchmischen der Kunststoffschmelze durch die Stirnflächen 27 so kräftig, daß es einen Strömungsstillstand verhindert.

Indem der zick-zack-förmige Verlauf der Stauringe so vorgesehen wird, daß die Wechselpunkte zwischen den Abstreichbereichen 24 und den Kaskadenbereichen 21, 22, 23 eines vorhergehenden Stauringes, z. B. des j Stauringes 19, etwa auf die Mitte der in axialer Richtung nachgeordneten Kaskadenbereiche gerichtet sind, wobei unter den Wechselpunkten die stromaufwärtigen Schnittpunkte jeweils der Stirnflächen 25 und 27 zu verstehen sind, wird die Strömung über die Kaskaden-

in bereiche gespalten, wobei ein Teil der Strömung in Richtung der Richtungspfeile 38,40 und ein anderer ^Teil in Richtung der Richtungspfeile 39,41 verläuft. Hierbei vermischen sich die Teilströme 38, 40 mit der Teilströmen 39,41 beim gemeinsamen Durchgang durch die nachgeordneten Kaskadenbereiche 22, 23 aufeinanderfolgender Stauringe. Ein derartiges Aufspalten und wieder Vereinigen der vorwärts geförderten Kunststoffschmelze verbessert die Durchmischung wesentlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Misch- und Knetvorrichtung für eine Strangpresse zum Plastifizieren von thermoplastischen Kunststoffen mit einer Förderschnecke und mehreren dem Schneckengang nachgeordneten, sich mitdrehenden Stauringen auf einem Fortsatz der Förderschnecke, wobei die im axialen Abstand voneinander angeordneten Stauringe mit ringweise im Querschnitt unterschiedlichen winkelversetzten Durchtrittsöffnungen versehen sind, zwischen denen radial erhöhte Umfangsteile verlaufen, die sich bis zur Innenwandung des Schneckengehäuses erstrekken, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauringe (18,19,20) zick-zack-förmig verlaufen und jeder Stauring aufeinanderfolgende, abwechselnd stromabwärts und stromaufwärts gerichtete Bereiche hat, die abwechselnd im Sinne der Förderschnekke (12) fördernd und entgegen der Förderschnecke rückfördernd wirken, daß die fördernd wirkenden Bereiche vo.t den radial erhöhten Umfangsteilen als Abstreichbereiche (24), mit den Stirnflächen (27) gebildet sind, daß die rückfördernd wirkenden Bereiche als Kaskadenbereiche (21, 22, 23) die Durchtrittsöffnungen tragen, und daß die Kaskadenbereiche von aufeinanderfolgenden Stauringen in Strangpreßrichtung im Sinne eines Kleinerwerdens der Durchtrittsöffnungen abgestuft sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder KaskadenDereich (21, 22, 23) mit J0 der Innenwandung (U) des Schneckengehäuses (10) kreisringförnvge radiale Durchtrittsspalte bildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die 1 iefe der kreisringförmigen radialen Durchtrittsspalte in Strangpreßrichtung « ringweise um die Hälfte derjenigen des vorhergehenden Stauringes (18,19,20) abnimmt.

4. Vorrichtung nach Anspruch I mit einer schraubenförmigen Aufeinanderfolge der Durchtrittsöffnungen entgegengesetzt zum Verlauf des Schneckenganges der Förderschnecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselpunkle zwischen den Abstreichbereichen (24, 27) und den Kaskadenbereichen (21, 22, 23) eines vorhergehenden Stauringes (19) etwa auf die Mitte der in axialer Richtung nachgeordneten Kaskadenbereiche gerichtet sind.