DE2542515B2 - Extruderschnecke fuer die verarbeitung von kunststoffen und kautschuk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk in Schneckenextrudern, in deren Zylinder eine Extruderschnecke angeordnet ist, die mehrere Abschnitte unterschiedlicher Gangzahl mit eingängigen und zweigängigen Zonen längs ihrer Gesamtlänge aufweist.

Eine derartige Extruderschnecke ist aus der DT-PS 10 218 bekanntgeworden. Diese Druckschrift zeigt einen Schneckenextruder, dessen Schnecke im Einzugsbereich eingängig, im Bearbeitungsbereich zweigängig und im Ausstoßbereich wieder eingängig ist. Der zweigängige Teil besteht aus zwei hintereinander angeordneten zweigängigen Zonen, in denen der eine Schneckengang sich von einem Maximaiwert am Anfang auf einen Minimalwert am Ende dieser Zone und der andere, parallel hierzu angeordnete Schneckengang von einem Minimalwert des Querschnittes auf einen Maximalwert am Ende der Zone erweitert. Bei dieser Gestaltung muß in jeder dieser beiden Zonen das Material in seiner Gesamlheii aus dem sich verkleinernden Schneckengang in den sich vergrößernden Schnek kerigarig übertreten. Zwischen diesen beiden Gängen is ein °Steg mit einem gerundeten Schneckenrückei vorgesehen, der eine Wal/.wirkung auf das Übertreten de Material ausübt. Dieser Schneckenrücken zwischei dem ersten und dem /weiten Gang hat somit einerseit; die Aufgabe, weniger viskoses, unbearbeitetes Materia zurückzuhalten und dieses Material durch die Walzwir kung zu bearbeiten. Mit dieser Extruderschnecke sine erstaunlich gute Resultate zu erreichen. Das Materia wird in guter Homogenität erhalten. Die Temperatui des austretenden Extrudates ist völlig einheitlich. Docf ist eine derartige Extruderschnecke sehr schwei herzustellen und daher außerordentlich teuer.

Es ist im Laufe der Zeit eine sehr große Anzahl vor Schneckenkonstruktionen entwickelt worden, um ent sprechend den Erfordernissen verschiedener Material Sorten eine gute Homogenisierung, Ausschließung unc Bearbeitung des Materiales zu erreichen. Mit sehi langen Schneckenextrudern oder mehreren hintereinander geschalteten Schneckenextrudern kann man auch schwer verarbeitbare Stoffe in der gewünschten Weise aufschließen und homogenisieren, insbesondere wenn die Schneckenextruder an bestimmten Stellen gekühlt oder beheizt werden. Die große Zahl bestehender Schneckenkonstruktionen zeigt aber an, daß das Arbeiten mit Schneckenextrudern nicht gan,i problemlos ist. Wird eine Bearbeitung zu schnell und auf einer zu kurzen Strecke vorgenommen, so erhitzt sich das zu verarbeitende Material derart, daß es wichtige Eigenschaften verlieren oder sogar wertlos werden kann. Geht die Bearbeitung zu langsam vor sich, so ist das Material oft nicht vollständig bearbeitet, wenn es den Schneckenextruder verläßt.

Diese Probleme ergeben sich zwangsläufig dadurch, daß im allgemeinen bearbeitetes, aufgeschlossenes Material im Schneckengang neben unbearbeitetem Material liegt und zusammen mit dem bearbeiteten Material in dem Schneckengang bis zur Extruderspitze vorgeschoben wird. Das bearbeitete und daher stärker viskose Material umhüllt das unbearbeitete und daher weniger viskose Material, verleiht ihm so ausgezeichnete Gleiteigenschaften und fördert somit die Möglichkeit, daß das unbearbeitete Material bis zur Schneckenspitze vordringen kann.

Schon sehr frühzeitig hatte man erkannt, daß man die Wirkung einer Extruderschnecke erheblich dadurch verbessern kann, daß man in die Stege der Extruderschnecke Durchlässe einfräste, die von der Druckseite zur Leerseite führen (DT-PS 4 02 879). Heute weiß man, daß diese Verbesserung der Wirkung der Extruderschnecke auf folgendem beruht: An der Leeseite ist die Häufigkeit unbearbeiteter Materialteilchen sehr viel größer als an der Druckseite der Flanke eines Schneckensteges. Läßt man nun das bearbeitete Material an der Druckseite des Schneckensteges durch eine Ausnehmung hindurchtreten und teilt somit den Strom des Materiales in einem Schneckengang in zwei Teile auf, so gelingt es, die unbearbeiteten Teüe an die Druckseite der Schneckenstegflanke zu bringen, wo sie in stärkerem Maße bearbeitet werden als an der Leeseite.

Die Fachwelt hat aber diese Erkenntnis lange Zeit nicht weiter ausbauen können. Sie ist statt dessen andere Wege gegangen, um die stärker viskosen Teile von den weniger viskosen Teilen zu trennen und um auf diese Weise zu erreichen, daß über einen bestimmten kurzen Schneckenabschnitt sämtliche Teüe einer

Bearbeitung unterworfen werden, z. B. der Weg der eingangs genannten DT-PS 9 10 218.

Erst nachdem die hier praktizierten Arbeitsvorgänge bekannt waren, griff die Technik wieder die Idee der Teilung der im Schneckengang befindlichen Materialien auf. L/ie DT-AS 13 02 096 zeigt eine Möglichkeit hierzu, bei der zwei eingängige Schneckengewinde gleicher Steigung ein Stück versetzt ineinandergreifen, so daß zwischen Abschnitten mit eingängiger Schneckenführung Kurze Abschnitte zweigängiger Schneckenführung liegen. Auch auf diese Weise läßt sich erreichen, daß da-Material von der Leeseite im zweigängigen Teil so geführt wird, daß es im folgenden eingängigen Teil an der Druckseite der Flanke des Schneckensteges liegt. Bei der DT-AS 13 02 096 geht dieses ohne jegliche eingebauten Widerstände vonstatten.

Eine Materialführung von Leeseitenmaterial auf die Druckseite eines nachfolgenden Schneckenstegstückes und umgekehrt eine Materialführung von Druckseitenmaterial auf die Leeseite des nachfolgenden Schneckenstegstückes wird auch bei der DT-PS 18 16 440 vorgenommen. Hier wird das Material jedoch vor Strömungsknoten geführt, die aus einem Stück Längssteg niedrigerer Steghöhe und einem den Schneckengang senkrecht querenden Querstück bestehen. Der in dieser Weise ausgebildete Teil der Bearbeitungszone der Extruderschnecke findet als Scherteil Verwendung. Hier wird das zuvor in den vorgeschalteten Schneckenteilen bearbeitete Material einer Scherwirkung unterzogen, die bekanntlich zu einer besonders guten Homogenisierung des Materiales führt. Bei dieser Extruderschnecke ist in dieser Zone der Schnecke die Gangführung so gestaltet, daß die Gangzahl im Scherbereich doppelt so hoch ist wie die Gangzahl im Einzugsbereich. Das geschieht, um im Scherbereich der Schnecke ständig während der Bearbeitung unabhängig von der Dosierung im Einzugsbereich mit Keilfüllung der Schneckengänge zu arbeiten. Dieses Scheren mit Keilfüllung der Schneckengänge ist aber nachteilig, nicht nur für das zu scherende Material, sondern auch im Hinblick darauf, daß hier ein druckloser Bereich ist, der eine nachgeschaltete, den erforderlichen Ausstoßdruck aufbauende Ausstoßzone notwendig macht.

Scheren kann man das Material aber erst dann, wenn es bereits aufgeschlossen ist. Unaufgeschlossenes Material staut sich vor Scherteilen und beeinträchtigt den Materialfluß. Solche Materialstauungen führen leicht zu Überhitzungen, sie können aber auch zu einem Stillstand der Maschine und zu Beschädigungen der Maschine führen. Quer zum Schneckengang verlaufende Stege sind bereits aus der DT-PS 8 07 186 bekannt. Diese quer zur Gangrichtung verlaufenden Stegstücke stellen dort, wo noch weitgehend unbearbeitetes Material vorhanden ist, sehr starke Widerstände dar, die nicht nur eine sehr hohe Antriebsleistung für die Maschine erforderlich machen, sondern auch das zu bearbeitende Material erheblich beanspruchen.

Ein anderes Scherteil ist durch die DT-OS 17 29 364 bekanntgeworden. Hier wird der in vorzugsweise einem Schneckengang befindliche aufgeschlossene, zu seherende Materialstrom am Ende der Bearbeitungszone in eine Mehrzahl von Teilströmen aufgeteilt und jeder Teilstrom wird einzeln über den den Schneckengang querenden Steg durch einen engen Spalt gedrückt. Auf diese Weise läßt sich bereits bearbeitetes Material hervorragend scheren und damit homogenisieren. Ais Arbeitsmittel dient hierzu die Aufteilung in mehrere Schneckengänge und die bei dieser Aufteilung erfolgende gleichzeitige Führung über einen den Schneckengang querenden Steg. Arbeitsmittel, die sich hier sehr gut für die Scherung von bereits bearbeitetem Material verwenden lassen, sind aber nicht so gut geeignet, um weniger Viskose, unbearbeitete Teile einer Bearbeitung zu unterziehen. Dieses ist zwar auch möglich, hier tritt jedoch insbesondere dann, wenn die den Schneckengang querenden Stege kurz sind, eiae hohe Erwärmung des zu bearbeitenden Materiales auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in kurzen Schneckenextrudern eine vollständige Bearbeitung, Aufschließung und Homogenisierung mit geringem Energieaufwand bei weitgehend gleichmäßiger Temperatur über die gesamte Länge des Bearbeitungsbereiches der Extruderschnecke zu erreichen.

Das Wesen der Extruderschnecke besteht erfindungsgemäß darin, daß zumindest in einem Bereich der Gesamtlänge der Extruderschnecke in mehrfacher Wiederholung an ein eingängiges Schneckenstück von jeweils einer Länge, auf der eine volle Schneckenstegwindung angeordnet ist, jeweils ein zweigängiges Schneckenstück von jeweils einer solchen Länge, auf der zwei parallele halbe Schneckenstegwindungen angeordnet sind, anschließt, daß jede zweigängige Zone zusätzlich zwei achsparallele Stege keilförmigen Flankenanstieges aufweist, und daß der eine Schneckensteg der zweigängigen Zone an den Schneckensteg der vorher angeordneten eingängigen Zone, der andere Schneckensteg der zweigängigen Zone an den Schnekkensteg der nachfolgenden eingängigen Zone jeweils dort anschließt, wo der achsparallele Schneckensteg mit diesem Schneckensteg der zweigängigen Zone zusammentrifft.

Diese Extruderschnecke erreicht eine besonders gute Wirkung. Die Schnecke ist so aufgebaut, daß jedes Materialteil beim Durchlaufen dieses besonders ausgebildeten Bearbeitungsbereiches mehrmals über einen achsparallelen Steg hinwegzulaufen hat. Diese achsparallelen Stege sind gerade dort angeordnet, wo sich die weniger bearbeiteten Teile im Materialstrom befinden, nämlich an der Leeseite. Die achsparallelen Stege stellen sich somit den weniger bearbeiteten Teilen in den Weg und da die achsparallelen Stege einen keilförmigen Flankenanstieg aufweisen, geraten die weniger bearbeiteten Teile in einen Keilspalt, der zwischen der keilförmigen Flanke des achsparallelen Steges und der Zylinderinnenwand sich bildet. In diesem Keilspalt werden die Teile einer besonders intensiven Bearbeitung unterzogen: Sie werden hier gerollt, gewalzt und an der Zylinderinnenwandung gerieben, bis sie so klein oder so elastisch geworden sind, daß sie durch den Spalt zwischen dem achsparallelen Steg und der Zylinderinnenwand hindurchtreten können.

Nun brauchen nicht alle unbearbeiteten Teile über den ersten achsparallelen Spalt in die nächste Bearbeitungszone zu laufen. Beginnt sich vor dem ersten achsparallelen Steg ein Stau unbearbeiteter Teile zu bilden, so nimmt die in den Schneckengängen herrschende Strömung unbearbeitete Teile von der Leeseite und führt sie auf die Druckseite. Denn am Orte des ersten achsparallelen Steges befindet sich eine Veizweigungsstelle, die in dem Schneckengang auf der Druckseite einen sehr kleinen Widerstand, auf der Leeseite einen großen Widerstand aufweist. Hier gelangen weniger aufgeschlossene Teile von der Leeseite in den Bereich der Druckseite, wo sie einer verstärkten Bearbeitung unterworfen werden, ehe sie zum zweiten achsparallelen Steg gelangen.

Die besondere Wirkung der erfindungsgemäßen Extruderschnecke beruht aber auch darauf, daß in dem folgenden Schneckengang hinter der Verzweigungsstelle im Anschluß an diese ein Mischwirbel entsteht. Denn in dem folgenden Schneckengang erweitert sich hinter dem achsparallelen Steg im davorliegenden Schneckengang der dahinterliegende Schneckengang auf die doppelte Breite und das schnell durch die Endstelle im folgenden Schneckengang strömende Material kann sich nun in die verbreiterte Stelle ausdehnen, wobei eben dieser Mischwirbel entsteht. In diesen Mischwirbel tritt nun frisch aufgeschlossenes Material über den achsparallelen Steg hinzu, so daß dieses Material mit Hilfe des Michwirbels besonders gut verteilt wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn jede Zone, also auch die zweigängigen Zonen, die Länge eines Extruderschneckendurchmessers aufweist. Besonders leicht ist eine derartige Extruderschnecke unter diesen Voraussetzungen dadurch herstellbar, daß man die Schnecke aus einzelnen Stücken von eingängigen Zonen und von zweigängigen Zonen zusammensetzt.

Sehr gute Bearbeitungen werden erreicht, wenn der Rücken des achsparallelen Schneckensteges über einen Winkelbereich von mindestens 20° mit gleichem Radius verläuft. Dann ist ein ausreichend langer Spalt auch für die Aufschließung schwer aufschließbarer Teilchen erzielt.

Bei manchen Materialien kann man die Extruderschnecke noch weiter dadurch verbessern, daß die Flanken der achparallelen Schneckenstege Rillen in Umfangsrichtung (senkrecht zur Achsrichtung) aufweisen. Dies kann dicht hinter dem Einzugsbereich eine gute Wirkung haben, da hier die nicht viskosen Teile in kleinere Teile unterteilt werden.

In hinteren Bereichen hingegen kann es recht zweckmäßig sein, wenn die Schneckenrücken der achsparallelen Schneckenstege Rillen aufweisen, die unter einem spitzen Winkel zur Umfangsrichtung bzw. zur Achsrichtung verlaufen. Denn in diese Rillen geratendes nicht aufgeschlossenes Material wird so in einfachster Weise in den Spalt zwischen Schneckenrükken und Zylinderinnenwandung geführt.

Das Wesen der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

F i g. 1 eine Ansicht der Extruderschnecke,

F i g. 2 eine Ansicht der um 90° gedrehten Extruderschnecke der F i g. 1,

F i g. 3 einen Querschnitt durch eine eingängige Zone der Extruderschnecke,

Fig.4 einen Querschnitt durch eine zweigängige Zone der Extruderschnecke,

F i g. 5 eine Schneckenmantelabwicklung.

Die Extruderschnecke 1 befindet sich in dem Hohlzylinder 2 des Schneckenextruders. Die Zylinderinnenwand ist mit 3 bezeichnet. Die Extruderschnecke ist aus einer großen Zahl von eingängigen Zonen 4 und zweigängigen Zonen 5 zusammengesetzt. Jede Zone kann für sich als einzelnes Werkstück hergestellt sein. Die Schnecke kann aber auch als ein einziges Werkstück gefertigt sein.

Jede eingängige Zone weist einen einzigen Schnckkensteg 6 auf. Dieser windet sich im gezeichneten Ausführungsbeispiel jeweils um 360° einmal um jede eingängige Zone 4 herum.

Die zweigängigen Zonen 5 weisen zwei Schneckenstege 7, 8 auf, wobei sich jeder Schneckensteg 7, 8 um 180° um die zweigängige Schneckenzone 5 herumwindet. Zwischen den Schneckenstegen 7, 8 befindet sich ein achsparalleler weiterer Schneckensteg 9. Dieser durchquert den Schneckengang zwischen den Schnekkenstegen 7, 8. Da jede zweigänge Zone 5 zwei Schneckenstege 7, 8 und somit auch zwei Schneckengänge aufweist, weist sie auch zwei achsparallele Schneckenstege 9 auf. Diese achsparallelen Schneckenstege 9 sind nun so geformt, daß sie zwischen der Zylinderinnenwand 3 und der Flanke 9A des Schnecken-Steges 9 einen Keilwinkel β einschließen. Im Querschnitt der Fig.4 ist dieses deutlich erkennbar: Vom Schneckensteg 7 an verläuft der Grund des Schneckenganges zuerst mit einem konstanten Radius, um dann tangential weiterzulaufen und mit einer Rundung in den Rücken des Schneckensteges 9 überzugehen. Der Querschnitt des Schneckenkernes hat auf diese Weise an diesen Stellen zwei gegenüberliegende Teile mit einem Radius, der größer ist als der Krümmungsradius der Zylinderinnenwand und zwei senkrecht hierzu liegende Bereiche, in denen der Krümmungsradius erheblich kleiner ist und die den Schneckenrücken bilden.

Die einzelnen Zonen 4 und 5 sind derart zusammengesetzt, daß der Schneckensteg 6 einer eingängigen Zone jeweils dort beginnt, wo ein achsparalleler Schneckensteg 9 den Schneckensteg 7,8 der zweigängigen Zone 5 berührt Jeder Schneckensteg 6 einer eingängigen Zone 4 endet dort, wo ein achsparalleler Schneckensteg 9 auf den Schneckensteg 7, 8 des zweigängigen Teiles auftrifft. Auf diese Weise wird erreicht, daß sich jeweils an einem Schneckensteg 6 auf der einen Seite ein Schneckensteg 7, auf der anderen Seite ein Schneckensteg 8 anschließt. Durch den Gang 10 der eingängigen Zone 4 hindurchfließendes Material kann somit in den Gang 11 oder in den Gang 12 der zweigängigen Zone 5 einfließen. In den Gang 11 tritt dasjenige Material, welches sich auf der Leeseite befindet, also Material, welches eine größere Häufigkeit von unbearbeiteten Materialstücken aufweist. Hingegen kann das auf der Druckseite befindliche Material vorzugsweise in den Gang 12 eintreten, wo es einen längeren Weg bis zu einem achsparallelen Schneckensteg 9 zurückzulegen hat. Dieses schon weiter aufgeschlossene Material kann während dieses langen Weges wieder relaxieren, so daß jeweils über einen achsparallelen Schneckensteg 9 unbearbeitetes oder relaxiertes Material herübertritt.

Durch diese besondere Anodnung läßt sich erreichen, daß bei geeringem Energieaufwand an jeder Teilungsstelle eines Ganges 10 in zwei Gänge 11,12 ein Teil des Materialcs ohne sofortigen Übertritt über den Rücker eines Schneckensteges 9 noch ein Stück im Gang Ii weiterwandern kann, ehe es erneut über einer Schneckenrücken hinübertreten muß.

Zweckmäßigerweise wählt man die Länge einer jeder Zone so, daß jede Zone die Länge eines Extruder Schneckendurchmessers D aufweist. Dies ist aber nich eine notwendige Voraussetzung. Ebenso ist es nich notwendige Voraussetzung, daß sich in den cingängigci Zonen 4 der Schneckensteg 6 ein volles Mal ode mehrere Male um den Schneckenkern hcrumwindet.

Zweckmäßig ist es, im Einzugsbercich an den Flanket 9Λ der achsparallclcn Schncckcnstcgc 9 Rillen 14 i: Umfangsrichtung (senkrecht, zur Achsrichtung) vorzu

(>5 sehen. Derartige Rillen 14 verstärken die Walzwirkunf weil sie verhindern, daß unbearbeitete oder relaxiert Teile um die freie Kante des achsparallelcn Schnecken steges 9 herumwandern.

Zweckmäßig kann es auch sein, auf dem Rücken der Schneckenstege 9 Rillen 15 vorzusehen, die vorzugsweise unter einem spitzen Winkel zur Umfangsrichtung bzw. zur Achsrichtung verlaufen. Am Ende der Bearbeitungszone wird man aber den Rücken der Schneckenstege 9 einfach glattmachen.

Der Querschnitt des zweigängigen Teiles wird vorzugsweise genähert den Umfang einer Ellipse haben.

Es ist zweckmäßig, die achsparallelen Stege etwas, etwa in den Grenzen von 0,001 bis 0,04 D niedriger zu gestalten als die anderen Stege der Extruderschnecke, die als Förderstege dienen. Im Eingangsbereich der Schnecke wird man vorteilhafterweise die achsparallelen Stege niedriger bauen als am Ende der Bearbeitungszone. So paßt man die Spaltweite der Abnehmer is

der Viskosität des zunehmend bearbeiteten Materiales an. Auf diese Weise erreicht man, daß die Aufschließung des zu bearbeitenden Materiales allmählich längs der gesamten Bearbeitungszone erfolgt, was nicht nur Überhitzungen dicht hinter dem Eingangsbereich, unnötigen Energieaufwand und eine unzweckmäßige Ausnutzung der Extruderschnecke vermeidet, sondern auch eine dem zu verarbeitenden Material besonders zuträgliche Art der Aufschließung erreicht.

Für die Verarbeitung von Kunststoff ist es zweckmäßig, dem beschriebenen Schneckenteil einen nicht zu kurzen, ein- oder mehrgängigen Teil zum Druckaufbau und Plastifizieren vorzuordnen, bei Kautschuk kann dieser Teil kürzer sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 709 539/4

Claims (5)

25 42 5! Patentansprüche:

1. Extrudcrschnccke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk in Schneckenextrudern, in deren Zylinder eine Extruderschnecke angeordnet ist, die mehrrere Abschnitte unterschiedlicher Gangzahl mit eingängigen und zweigängigen Zonen längs ihrer Gesamtlänge aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest in einem Bereich der Gesamtlänge der Extruderschnecke in mehrfacher Wiederholung eine eingängige Zone (4) mit einem Schneckenstück von jeweils einer vollen Schneckenstegwindung (6) angeordnet ist, daß anschließend jeweils eine zweigängige Zone (5) mit einem Schneckenstück (5) von jeweils zwei parallelen halben Schneckenstegwindungen (7,8) angeordnet ist, aaß jede zweigängige Zone (5) zusätzlich zwei achsparallele Stege (9) keilförmigen Flankenanstieges aufweist, und daß der eine Schneckensteg (7) der zweigängigen Zone (5) an den Schneckensteg (6) der vorher angeordneten eingängigen Zone (4), der andere Schneckensteg (8) der zweigängigen Zone (5) an den Schneckensteg (6) der nachfolgenden eingängigen Zone (4) jeweils dort anschließt, wo der achsparallele Schneckensteg (9) mit diesem Schneckensteg (7, 8) der zweigängigen Zone (5) zusammentrifft.

2. Extruderschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Zone (4,5) die Länge eines Extruderschneckendurchmessers (D) aufweist.

3. Extruderschnecke nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücken des achsparallelen Schneckensteges (9) über einen Winkelbereich von mindestens 20° mit gleichem Radius verläuft.

4. Extruderschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flanken (9A)der achsparallelen Schneckenstege (9) Rillen (14) in Umfangsrichtung (senkrecht zur Achsrichtung) aufweisen.

5. Extruderschnecke nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücken der achsparallelen Schneckenstege (9) Rillen (15) aufweisen, die unter einem spitzen Winkel zur Umfangsrichtung bzw. Achsrichtung verlaufen.