DE2624589A1

DE2624589A1 - Extrudiermaschine fuer thermoplastische kunststoffe

Info

Publication number: DE2624589A1
Application number: DE19762624589
Authority: DE
Inventors: Charles Dr Maillefer
Original assignee: Maillefer SA
Current assignee: Maillefer SA
Priority date: 1975-06-30
Filing date: 1976-06-01
Publication date: 1977-01-27
Also published as: DE2660469C2; GB1550650A; AT373201B; SU688112A3; IT1063696B; US4085461A; ATA479576A; AU503707B2; NL7607042A; FR2316063B1; CH603341A5; DE2624589B2; BE843621A; SE7607406L; FI67322B; FR2316063A1; DE2624589C3; AU1497476A; FI67322C; SE428277B

Description

Maillefer S.A. 1024 Ecublens (Schweiz)

Route du Bois

Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe

Die Erfindung betrifft eine Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe.

Man weiss, dass in einer Extrudiermaschine ein Ausgangsmaterial, das bei Umgebungstemperatur als Granulat oder Pulver in den Einfülltrichter der Maschine eingegeben wird, durch eine in einem Zylinder arbeitende Schnecke in eine bei erhöhter Temperatur plastifizierte und vollständig homogene Masse umgearbeitet werden muss, die dann unter einem erhöhten Druck einem am Ausgang der Maschine gelegenen Extrudierkopf zugeführt werden muss. Die Schnecke muss also das Material vom Einlass zum Auslass transportieren und es zugleich verdichten, währenddem es erhitzt wird, um in den plastifizieren Zustand zu gelangen; dabei muss das Material zugleich auch durchgeknetet werden, damit es in vollständig homogenem Zustand in den Extrudierkopf gelangt. Aus diesem Grunde sind etliche bekannte Schnecken von Extrudiermaschinen auf ihrer Länge in mehrere Zonen verschiede-

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ner Ausbildung unterteilt, die der Verwirklichung dieser Funktionen angepasst sind. So ist z.B. in der CH-PS 363.149 eine Schnecke beschrieben, die in der Plastifizierzone zwei Schneckenrippen hat, die eine konstante, aber unterschiedliche Steigung haben und zwischen sich einen Eintrittskanal von abnehmendem Querschnitt begrenzen. Die Schneckenrippe mit der grosseren Steigung ist die Durchlassschneckenrippe. Ihr Kamm erstreckt sich nach einer Schraubenlinie, deren Durchmesser um einige 1/10 mm kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders, so dass das durch das stromabwärtige Flanke dieser Rippe verdrängte Material während der Drehung der Schnecke zwischen diesem Kamm und dem Zylinder hindurchtreten, also vom Eintrittskanal in den Austrittskanal gelangen kann. Diese Ausbildung hat sich als sehr wirksam erwiesen hinsichtlich Gewährleistung einer vollständigen Plastifizierung des als Granulat zugeführten Materials? somit ist auch sichergestellt, dass in der dem Extrudierkopf zugeführten plastifizieren Masse keine ungeschmolzenen Materialkörner enthalten sind.

Man kennt auch andere Ausbildungen von Extrudierschnecken, bei denen die Anzahl der Schneckenrippen, ihre Höhe, ihre Steigung oder sogar ihr Profil über der Länge der Schnecke variieren. In gewissen Fällen ist ein schraubenlinienförmiger, durch eine Schnecke begrenzter Kanal im Plastifizierungsbereich durch mit Durchlässen versehene Sperrelemente teilweise abgesperrt. Das bei der Drehung der Schnecke verdrängte Material staut sich dann vor diesen Sperrelementen, durch deren Durchlässe es nur im fluiden Zustand hindurchtreten kann.

Das Konzept der Ausbildungen von Extrudierschnecken muss nicht nur den oben angeführten Qualitätsansprüchen hinsichtlich Homogenität der zum Extrudierkopf gelangenden Masse genügen, sondern muss auch den üblichen Wirtschaftlichkeitsanforderungen genügen. Mit andern Worten, es soll eine Extrudierschnecke die plastifizierte Masse in grösstmöglichem Durchlass abgeben. Bei gegebenen Parametern hängt dieser Durchlass namentlich von der

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Drehzahl der Schnecke ab; jedoch sind die verschiedenen Parameter nicht vollständig voneinander unabhängig, weil insbesondere die Erwärmung des Werkstoffes innerhalb des Zylinders auch von der Drehzahl der Schnecke abhängt. Diese Erwärmung ist nämlich teilweise auf die Reibung des Werkstoffes, insbesondere jener Körner, die den Schmelzpunkt noch nicht erreicht haben, an den metallischen Teilen des Zylinders und der Schnekke und auch auf innere Reibungen zurückzuführen, die bei der Durchknetung des Materials auftreten. Eine zu hohe Drehzahl der Schnecke führt zu lokalen Ueberhitzungen, die zu Zersetzungserscheinungen in den von ihnen erfassten Anteilen des thermoplastischen Kunststoffes führen können. Hier liegt also die thermische Grenze des nutzbaren Durchsatzes. In der Praxis ist also die Drehzahl einer Schnecke, die einen Kunststoff verarbeitet, dessen Eintrittsbedingungen gegeben sind, begrenzt, falls man am Austritt der Schnecke eine homogene Masse von guter Qualität erhalten will. Hier liegt die Qualitätsgrenze des nutzbaren Durchsatzes.

Die vorliegende Erfindung geht nun aus von einer Extrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe, mit in einem Zylinder arbeitender Schnecke, die bei vorbestimmter Drehzahl angetrieben und in Längsrichtung in mindestens drei, vom verarbeiteten Material nacheinander durchlaufene Zone unterteilt ist, und zwar eine Speisezone, eine Plastifizierzone und eine Homogenisierzone, wobei die Plastifizierzone durch eine oder mehrere schraubenlinienförmige Schneckenrippen bestimmt ist, welche zusammen mit dem Kern der Schnecke und dem Zylinder einen oder mehrere kontinuierliche, den Werkstoff zum Ausgang der Extrudiermaschine leitende Kanäle begrenzen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Leistungsfähigkeit einer Extrudiermaschine dieser Gattung zu erhöhen durch Erhöhung des möglichen Durchsatzes ohne gleichzeitige Erhöhung ihrer Dimensionen und unter Gewährleistung der Qualität und Homogenität der in den-Extrudierkopf gelangenden plastifiziert

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ten Masse. Mit andern Worten, es sollen die thermische Grenze und auch die Qualitätsgrenze des zulässigen Durchsatzes erhöht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass in der Plastifizierzone mindestens eine Schneckenrippe von einer Mehrzahl enger Durchlässe durchsetzt ist, die ihre stromabwärtige Flanke mit ihrer stromaufwärtigen Flanke verbinden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt eines Ausführungsbeispieles ,

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Fig. II-II der Fig. 1, und die Fig. 3 und 4 Querschnitte von zwei andern Ausführungsformen.

In der Zeichnung ist, soweit es für das Verständnis der Erfindung erforderlich erscheint, eine Extrudiermaschine gezeigt, deren Zylinder 1 eine glatte Innenoberfläche hat und an seinem stromauf wärtigen Ende einen Einzeltrichter 2 trägt; am stromabwärtigen (nicht gezeigten) Ende dieses Zylinders ist ein Extrudierkopf angeschlossen. Der Zylinder könnte an seiner Innenoberfläche mit Nuten versehen sein.

Der Zylinder 1 enthält eine Schnecke 3, deren stromaufwärtiges Ende mit Kupplungsnuten 4 versehen ist, die zum Anschluss an einen motorischen Antrieb dienen. Ausgehend von diesem stromaufwärtigen Ende ist die Schnecke über ihrer Länge in mehrere Zonen unterteilt: eine Speisezone 5,deren strömungsaufwärtiges Ende von dem die Nuten 4 aufweisenden Abschnitt durch eine Dichtung s vor richtung 6 getrennt ist, eine Plastifizierzone 7 und eine Homogenisierzone 8, die sich bis zum strömungsabwärtigen Ende der Schnecke erstreckt.

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Zwischen der Speisezone 5 und der Plastifizierzone 7 ist noch eine Zwischenzone 5a eingesetzt, die Uebergangszone genannt wird. In der Speisezone 5 hat die Schnecke zwei Schneckenrippen 9 und 10 von gleich grosser Steigung. Diese Zone befindet sich unter dem Einfülltrichter 2 und dient dem Zweck, die Körner des granulatförmigen Werkstoffes in den Zylinder 1 einzuführen und sie dabei zusammenzudrücken, wobei zugleich dem in der Maschine enthaltenden Material ein Schub erteilt wird, der es veranlasst zum strömungsabwärtigen Ende zu fliessen. Die uebergangszone 5a dient dazu, die Werkstoffkörner zu verteilen, weshalb in dieser Zone nur noch eine der beiden Schneckenrippen

9 und 10 vorhanden ist. Auch ist in dieser Zone der Durchmesser des Schneckenkernes etwas grosser als in der Speisezone. Der Kern weist also in dieser Uebergangszone eine Uebergangsflache 5b auf. Die Plastifizierzone 7 folgt unmittelbar auf die uebergangszone 5a; in ihr hat die Schnecke zwei Schneckenippen 11 und 12 von konstanter aber unterschiedlicher Steigung. Die Schnekkenrippe erstreckt sich in der Verlängerung der Schneckenrippe

10 und hat die gleiche Steigung wie dieselbe, wogegen die Schneckenrippe 12 eine kleinere Steigung hat. Diese Schneckenrippe hat ihren Anfang auf der stromaufwärtigen Flanke der Rippe 11 am Anfang der Zone 7, entfernt sich dann allmählich von ihr stromabwärts um dann am Ende der Plastifizierzone auf die stromaufwärtige Flanke dieser gleichen Schneckenrippe zu stossen, nachdem sie einen Umgang' mehr durchlaufen hat. Am stromabwärtigen Ende der Schneckenrippe 11 ist eine Nut 11a vorgesehen, die geringfügig weniger tief ist als der zwischen den Schneckengängen vorhandene Schneckenkanal. Die Schneckenrippe 11 erstreckt sich über mindestens zwei vollständige Umgänge. Ihre stromaufwärtige und stromabwärtige Flanken sind zur zylindrischen Fläche, die den Boden der Schneckenkanäle bildet, geringfügig geneigt.

Die Mantelfläche der Schneckenrippe 11 ist in einer zylindrischen Fläche enthalten, deren geometrische Achse mit der Drehachse der Schnecke zusammenfällt und deren Durchmesser etwas

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kleiner ist als der Innendurchmesser des Zylinders 1. Die Schneckenrippe 12 hat das gleiche Profil wie die Schneckenrippe 11, hat also auch geneigte Flanken; die radiale Höhe dieser Schneckenrippe 12 könnte aber kleiner oder grosser sein als jene der Schneckenrippe 11.

Die Schneckenrippe 11, im vorliegenden Zusammenhang auch Durchlassrippe genannt, hat eine Vielzahl von Schlitzen 13, die sich über ihrer ganzen radialen Höhe erstrecken, u.zw. nach Axialebenen der Schnecke, also nach Mantellinien des Schneckenkernes. In einem typischen Ausführungsbeispiel, das eingehenden Versuchen unterworfen wurde, und in dem die Schnecke einen Durchmesser von 80 mm hatte, betrug die Anzahl von Schlitzen sechzig pro Umgang und ihre Weite betrug 0,8 mm. Es ergab sich hieraus, dass die Totalquerschnittsfläche sämtlicher Schlitze etwa 20 % der Totaloberfläche der Schnecke betrug.

Die Durchlassschnecke 11 begrenzt auf der strömungsaufwärtigen Seite einen Eintrittskanal und auf der strömungsabwärtigen Seite einen Austrittskanal 16. Der Eintrittskanal hat einen Querschnitt, der bis auf Null abnimmt, welcher Wert am Ende der Piastifizierzone erreicht wird; dafür hat aber der Austrittskanal 16 einen Querschnitt, der allmählich zunimmt und der am Ende der Plastifizierzone eine Fortsetzung findet im Homogenisierkanal 17, von konstantem Querschnitt, der durch die Schnekkenrippe 14 begrenzt ist. Diese einzige Schneckenrippe 14 , die in der Homogenisierzone 8 vorhanden ist, hat die gleiche Steigung wie die Schnecke 12. Diese Zone ist- im übrigen nach bekannten Vorbildern ausgebildet, so dass es überflüssig erscheint, darüber näher einzutreten. Es wurde festgestellt, dass die vorhin erwähnten Schlitze 13 einen vollständig unerwarteten Effekt zeitigen. Man hätte erwarten können, dass bei einem Vergleich zwischen zwei Schnecken, die sich nur durch das Vorhandensein von Durchlassschlitzen in der Durchlassschneckenrippe 11 bei der einen dieser Schnecken voneinander unterscheiden, der Wirkungsgrad dieser letzteren vermindert wäre

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infolge Verminderung der Wirksamkeit der Schneckenrippe 11 und dass demzufolge der Durchsatz der Extrudiermaschine kleiner ausfallen würde für eine gegebene Drehzahl der Schnecke. Doch haben die Versuche gezeigt/ dass die Wirkung dieser Erwartung direkt entgegengesetzt ist, dass nämlich der Durchsatz der Extrudiermaschine in der Grössenordnung von 30 % grosser ist, Ausser dieser Vergrösserung des Durchsatzes konnte auch eine Verminderung der Erwärmung festgestellt werden, so dass die Austrittstemperatur der plastifizierten Masse niedriger lag in der Extrudiermaschine mit Durchlassscüifczen als in jener ohne diese Schlitze. Die Versuche haben gezeigt, dass es möglich ist die Drehzahl der Schnecke beispielsweise von 100 auf 120/min. zu erhöhen, ohne dass Temperaturen erreicht werden, die für den Werkstoff gefährlich sind. Im Schlussergebnis war die erzielbare totale Vergrösserung des Durchsatzes etwa in der Grössenordnung von 50 %.

Es wurde des weiteren festgestellt, dass durch Einbringen von engen Durchlässen, die die stromaufwartige Flanke mit der stromabwärtigen Flanke der Schneckenrippe in der Plastifizierzone der Durchsatz der Extrudiermaschine nicht nur dann erhöht wird, wenn diese Durchlässe in der einen von zwei Schneckenrippen vorgesehen sind, die konstante aber unterschiedliche Steigungen haben, sondern auch dann wenn solche Durchlässe in der Schnekkenrippe 12 des dargestellten Ausführungsbeispieles oder in beiden Schneckenrippen 11 und 12 vorhanden sind. Es wurde auch festgestellt, dass die Durchs atz erhöhung auch danti erreicht wird, wenn die eine oder andere der Schneckenrippen 11 oder 12 an ihrem stromaufwärtigen oder an ihrem stromabwärtigen Ende unterbrochen ist, bevor sie sich an die andere Schneckenrippe anschliesst. Des weitern ist es auch nicht erforderlich, dass die beiden Schnecken unterschiedlich grosse Steigungen haben und auch nicht erforderlich ist, dass die Anzahl von Schneckenrippen von 1 abweicht. In jedwelcher Schneckenrippe, die das Material stromabwärts transportiert in einer Plastifizierzone einer Extrudiermaschine,verursacht das Vorhandensein

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vielen engen Durchlässen, welche die stromaufwärtige Flanke der Schneckenrippe direkt mit der strom,abwärtigen Flanke dieser Rippe verbinden, eine Durchsatzerhöhung unter gleichzeitiger Verbesserung der Plastifizierung.

Die engen Durchlässe 13 könnten aus Radialschlitzen bestehen, die anstatt sich längs Mantellinien des Schneckenkerns zu erstrecken zu solchen Mantellinien geneigt sind , so wie dies für die Schlitze 18 der Ausführungsvariante der Fig. 3 der Fall ist. Die engen Durchlässe könnten des weitern aus einfachen Löchern 19 bestehen, die sich gemäss Fig. 4 durch die Schneckenrippe hindurch erstrecken. Vorzugsweise sollte die Weite der Schlitze grosser sein als das Radialspiel zwischen Schnecke und Zylinder; das Höchstmass dieser Weite wird aber in der Praxis begrenzt sein durch die Dimensionen der Körner, aus denen der Werkstoff anfänglich besteht. Falls die Schlitze radial stehen, können sie -sich bis zum Kern der Schnecke hin erstrecken oder eine Höhe haben, die geringer ist als jene der Schneckenrippe. Wichtig ist, dass in der Piastifizierzone jedes Materialkoj-n durch die vorhandenen engen Durchlässe, also durch die Schlitze oder Löcher in der Schneckenrippe und durch den engen Spalt zwischen Schneckenrippe und Zylinder hindurchtreten muss/ was das Schmelzen des Materials mindestens an der Oberfläche und damit die Verminderung der Grosse der Körner gewährleistet.

Falls der Zylinder an seiner Innenoberfläche Rinnen hat, können sich diese achsparallel oder nach Schraubenlinien erstrecken über die Zonen 5a, 7 und 8 hinweg oder nur über einen Teil dieser Länge.

Um den Effekt der beschriebenen engen Durchlässe zu verstehen, kann angenommen werden, dass in einer Extrudiermaschine, wie beispielsweise in jener nach Fig. I^die Schneckenrippen 9 und 10 den körnigen Werkstoff stromabwärts verdrängen, dass aber der noch unvollständig plastifizierte Werkstoffanteil, der

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in der Zone 7 enthalten ist, sich der stromabwärtigen Verdrängung entgegensetzt und die Unterdrucksetzung längs des Zylinders der Extrudiermaschine beeinträchtigt. Um den Durchsatz zu erhöhen, ist es also von Vorteil, dass die Erhitzung und die Plastifizierung des Werkstoffes so rasch wie möglich erfolgen, damit die Bremsung durch Reibung so rasch wie möglich vermindert wird. Die Vergrösserung der Kontaktfläche bei Vorhandensein der Schlitze oder sonstigen engen Durchlässe begünstigt den Wärmeübergang. Im übrigen erfolgt beim Arbeiten einer Schnecke wie der dargestellten , eine verhältnismässig grosse Wärmeabgabe schon beim Eintritt in den Zylinder, also dort wo die Körner noch fest sind und deshalb ihrer Verschiebung einen.grossen Widerstand entgegenstellen. Diese Wärmeabgabe führt zu einer Erhitzung der metallischen Teile und namentlich des Kernes der Schnecke bis zu einer Temperatur, die über dem Erweichungspunkt des thermoplastischen Werkstoffes liegt; demzufolge erfährt'die Schnecke eine Erwärmung bis in die Plastifizierzone, wo das Metall sich auf einer Temperatur befindet, die höher liegt als die mittlere Temperatur der in Plastifizierung begriffenen Masse. Die vielen engen Durchlässe, die in der Durchlassschneckenrippe vorgesehen sind, ermöglichen also auch kleinen Teilchen des Werkstoffes, mit dem Metall der Schnecke in Berührung zu bleiben oder zumindest nahe bei diesem Metall zu verweilen und sich unter dessen Einfluss zu erwärmen während einer Zeitdauer, die grosser ist als wenn als einziger Durchlass nur der Spalt zwischen Schneckenrippe und Zylinder vorliegt. Deshalb wird die Plastifizierung der Gesamtmasse beschleunigt durch das Vorhandensein.der engen Durchlässe und somit wird auch der Widerstand, den die Masse ihren Transport stromabwärts entgegenstellt, vermindert. Der durch die Schneckenrippen 9 und 10 eingeleitete Verdrängungseffekt führt dann zu einem rascheren Abfluss, woraus sich die Vergrösserung des Durchsatzes ergibt, die festgestellt werden konnte ebenso wie die Temperaturerniedrigung, die ihrerseits noch einmal eine Durchsatzerhöhung ermöglicht durch Erhöhung der zulässigen Drehzahl.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

ί 1. lExtrudiermaschine für thermoplastische Kunststoffe, mit in einem Zylinder arbeitender Schnecke, die bei vorbestimmter Drehzahl angetrieben und in Längsrichtung in mindestens drei, vom verarbeiteten Material nacheinander durchlaufene Zonai unterteilt ist, u.zw. eine Speisezone, eine Plastifizierzone und eine Homogenisierzone, wobei die Plastifizierzone durch eine oder mehrere schraubenlinienförmige Schneckenrippen bestimmt ist, welche zusammen mit dem Kern der Schnecke und dem Zylinder einen oder mehrere kontinuierliche, den Werkstoff zum Ausgang der Extrudiermaschine leitende Kanäle begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass in der Plastifizierzone (7) mindestens eine Schneckenrippe von einer Mehrzahl enger Durchlässe (13; 18; 19) durchsetzt ist, die ihre stromabwärtige Flanke mit ihrer stromaufwärtigen Flanke verbinden.
2. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Durchlässe aus Schlitzen (13) bestehen, die sich nach Axialebenen der Schnecke (3) erstrecken.
3. Extrudiermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Weite der Schlitze etwa 1 mm beträgt.
4. Extrudiermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schlitze über die ganze radiale Höhe der Schnekkenrippe erstrecken.
5. Extrudiermaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schlitze nur über einen Teil der radialen Höhe der Schneckenrippe erstrecken.
6. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, bei v/elcher in der Plastifizierzone die Schnecke zwei Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich grosser Steigung hat, wobei jene (11) mit der grösseren Steigung eine Durchl-assrippe ist, die zusammen mit der anderen Schneckenrippe (12) einen Eintrittskanal be-

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grenzt, dessen Querschnittsgrösse zum Ausgang hin abnimmt, sowie einen Austrittskanal, dessen Querschnittsgrösse zum Ausgang hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten engen Durchlässe nur in der Durchlassrippe vorhanden sind.
7. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, bei welcher in der Plastifizierzone die Schnecke zwei Schneckenrippen von konstanter, aber unterschiedlich grosser Steigung hat, wobei jene (11) mit der grösseren Steigung eine Durchlassrippe ist, die zusammen mit der anderen Schneckenrippe (12) einen Eintrittskanal begrenzt, dessen Querschnittsgrösse zum Ausgang hin abnimmt, sowie einen Austrittskanal, dessen Querschnittsgrösse zum Ausgang hin zunimmt, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten engen Durchlässe in beiden Schneckenrippen vorhanden sind.
8. Extrudiermaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialspiel zwischen der Durchlassrippe und dem Zylinder grosser ist als jenes zwischen der anderen Rippe und dem Zylinder, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Durchlässe Schlitze sind, deren Weite grosser ist, als das Radialspiel zwischen der Durchlassrippe und dem Zylinder.
9. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Durchlässe aus durchgehenden Löchern bestehen.
10. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Durchlässe aus Schlitzen bestehen, die zu Mantellinien des Schneckenkerns geneigt verlaufen.
11. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Durchlassquerschnitte sämtlicher enger Durchlässe etwa 20 % der Gesamtfläche der Schneckenrippe beträgt.
12. Extrudiermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die engen Durchlässe auf mindestens zwei vollständigen Ganghöhen der Schneckenrippe verteilt sind.

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