DE2542515C3

DE2542515C3 - Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk

Info

Publication number: DE2542515C3
Application number: DE2542515A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl.-Phys. 3011 Gleidingen Koch
Original assignee: PAUL TROESTER MASCHINENFABRIK 3000 HANNOVER
Current assignee: PAUL TROESTER MASCHINENFABRIK 3000 HANNOVER
Priority date: 1975-09-24
Filing date: 1975-09-24
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4092015A; DE2542515B2; GB1563402A; FR2325492B1; DD126195A5; IT1070553B; DE2542515A1; JPS5240573A; FR2325492A1

Description

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

Eine derartige Extruderschnecke ist aus der DE-PS 10 218 bekanntgeworden. Diese Druckschrift zeigt einen Schneckenextruder, dessen Schnecke im Einzugsbereich eingängig, im Pearbeitungsbereich 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 Maximalwert 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 Gesamtheit aus dem sich verkleinernden Schneckengang in den sich vergrößernden Schnekkengang übertreten. Zwischen diesen beiden Gängen ist ein Steg mit einem gerundeten Schneckenrücken vorgesehen, der eine Walzwirkung auf das Obertretende Material ausübt Dieser Schneckenrücken zwischen dem ersten und dem zweiten Gang hat somit einerseits die Aufgabe, weniger viskoses, unbearbeitetes Material zurückzuhalten und dieses Material durch die Walzwirkung zu bearbeiten. Mit dieser Extruderschnecke sind erstaunlich gute Resultate zu erreichen. Das Material wird in guter Homogenität erhalten. Die Temperatur des austretenden Extrudates ist völlig einheitlich. Doch ist eine derartige Extruderschnecke sehr schwer herzustellen und daher außerordentlich teuer.

Es ist im Laufe der Zeit eine sehr große Anzahl von Schneckenkonstruktionen entwickelt worden, um entsprechend den Erfordernissen verschiedener Materialsorten eine gute Homogenisierung, Ausschließung und Bearbeitung des Materiales zu erreichen. Mit sehr 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 ganz 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 Extruder-' schnecke Durchlässe einfräste, die von der Druckseite zur Leerseite führen (DE-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 Teile 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 Teile einer Bearbeitung unterworfen werden, z. B. der Weg der eingangs genannten DE-PS 910218.

Erst nachdem die hier praktizierten Arbeitsvorgänge bekannt waren, griff die Technik wieder die Idee der Teilung der im Schneckengang befindlichen Materialien auf. Die DE-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 das 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 DE-AS 13 02 096 geht dieses ohne jegliche eingebauten Widerstände vonstatten.

Eine Materialführung von Leeseitenmaterial auf die Druckseite eines nachfolgenden Schnrckenstegstückes und umgekehrt eine Materialführung von Druckseitenmaterial auf die Leeseite des nachfolgenden Schneckenstegstiickes wird auch bei der DE-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 Materi;lfluß. Solche Materialstauungen führen leicht zu Überhitzungen, sie können aber auch zu einem Stillstand der Maschine und zu Beschädigungen der so Maschine führen. Quer zum Schneckengang verlaufende Stege sind bereits aus der DE-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 DE-OS 17 29 364 bekanntgeworden. Hier wird der in vorzugsweise einem Schneckengang befindli hc aufgeschlossene, zu scherende 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. Als 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, eine hohe Erwärmung des zu bearbeitenden Materiales auf.

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

Das Wesen der Extruderschnecke besteht erfindungsgemäß darin, daß zumindest in einem Bereich der Gesamtlänge der Extruderschnecke in mehrfacher Wiederholung eine eingängige Zone mit einem Schneckenstück mit voller Schneckenstegwindung und daran anschließend eine zweigängige Zone mit einem Schnekkenstück mit zwei parallelen halben Schneckenstegwindungen angeordnet ist, 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 und der andere Schneckensteg der zweigängigen Zone an den Schneckensteg der nachfolgenden eingängigen Zone jeweils dort anschließt, wo der achsparallele Schnekkensteg 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 Verzweigungsstelle, 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 s 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 Mischwirbels 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 seia

Jede eingängige Zone weist einen einzigen Schnekkensteg 6 auf. Dieser windet sich im gezeichneten Ausführungsbeispiel jeweils um 360° einmal um jede eingängige Zone 4 herum. *5

Die zweigängigen Zonen S 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. Diesel durchquert den Schneckengang zwischen den Schnek kenstegen 7, 8. Da jede zweigänge Zone 5 zwe Schneckenstege 7, 8 und somit auch zwei Schnecken gänge aufweist, weist sie auch zwei achsparalleU Schneckenstege 9 auf. Diese achsparallelen Schnecken Stege 9 sind nun so geformt, daß sie zwischen dei Zylinderinnenwand 3 und der Flanke 9A des Schnecken Steges 9 einen Keilwinkel β einschließen. Im Querschnit der Fig.4 ist dieses deutlich erkennbar: Von Schneckensteg 7 an verläuft der Grund des Schnecken ganges zuerst mit einem konstanten Radius, um danr tangential weiterzulaufen und mit einer Rundung in der Rücken des Schneckensieges 9 überzugehen. Dei Querschnitt des Schneckenkernes hat auf diese Weise an diesen Stellen zwei gegenüberliegende Teile mii einem Radius, der größer ist als der Krümmungsradiu: der Zylinderinnenwand und zwei senkrecht hierzi liegende Bereiche, in denen der Krümmungsradiu! erheblich kleiner ist und die den Schneckenrücker bilden.

Die einzelnen Zonen 4 und 5 sind derart zusammengesetzt, daß der Schneckensteg 6 einer eingängiger Zone jeweils dort beginnt wo ein achsparallelei Schneckensteg 9 den Schneckensteg 7,8 der zweigängi gen Zone 5 berührt, jeder Schneckensteg 6 einei eingängigen Zone 4 endet dort wo ein achsparallelei Schneckensteg 9 auf den Schneckensteg 7, 8 des zweigängigen Teiles auftrifft Auf diese Weise wire erreicht daß sich jeweils an einem Schneckensteg 6 aul der einen Seite ein Schneckensteg 7, auf der anderer Seite ein Schneckensteg 8 anschließt Durch den Gang 10 der eingängigen Zone 4 hindurchfließendes Materia kann somit in den Gang 11 oder in den Gang 12 dei 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 weitet aufgeschlossene Material kann während dieses langer Weges wieder relaxieren, so daß jeweils über einer achsparallelen Schneckensteg 9 unbearbeitetes odet relaxiertes Material herübertritt

Durch diese besondere Anordnung läßt sich erreichen daß bei geringem Energieaufwand an jeder Teilungsstelle eines Ganges 10 in zwej Gänge 11,12 ein Teil des

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eines Schneckensteges 9 noch ein Stück im Gang 12 weiterwandern kann, ehe es erneut über einen Schneckenrücken hinübertreten muß.

Zweckmäßigerweise wählt man die Länge einer jeden Zone so, daß jede Zone die Länge eines Extruderschneckendurchmessers D aufweist Dies ist aber nicht eine notwendige Voraussetzung. Ebenso ist es nicht notwendige Voraussetzung, daß sich in den eingängigen Zonen 4 der Schneckensteg 6 ein volles Mal oder mehrere Male um den Schneckenkern herumwindet

Zweckmäßig ist es, im Einzugsbereich an den Flanken 9A der achsparallelen Schneckenstege 9 Rillen 14 in Umfangsrichtung (senkrecht zur Achsrichtung) vorzusehen. Derartige Rillen 14 verstärken die Walzwirkung, w dl sie verhindern, daß unbearbeitete oder relaxierte Teile um die freie Kante des achsparallelen Schneckensteges 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 s 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 ι ο 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 rs

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

Claims

Patentansprüche:

1. Extruderschnecke für die Verarbeitung von Kunststoffen und Kautschuk, die mehrere Abschnit- s te 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 mit voller Schneckenstegwindung (6) und daran anschließend eine zweigängige Zone (5) mit einem Schneckenstück mit zwei parallelen halben Schneckenstegwindungen (7,8) angeordnet ist, daß 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) und 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 bzw. 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 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücken der achsparallelen Schneckenstege (9) Rillen (15) aufweisen, die unter einem spitzen Winkel zur Umfangsrichtung bzw. Achsrichtung verlaufen.