DE2659182A1

DE2659182A1 - Verfahren und vorrichtung zur behandlung und extrusion von viskosem material

Info

Publication number: DE2659182A1
Application number: DE19762659182
Authority: DE
Inventors: Heinz L Krein; Alfred Rudin
Original assignee: University of Waterloo
Current assignee: University of Waterloo
Priority date: 1975-12-31
Filing date: 1976-12-28
Publication date: 1977-07-14
Also published as: GB1570290A; JPS5290568A; IT1067327B; DE7640811U1

Description

IR,- ENCL H.: FIN¹CKE

ti?L.-it.G. κ. i30HR München, 28. Dezember 1976

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UNIVERSITY OP WATERLOO Waterloo, Ontario, Canada

"Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung und Extrusion von viskosem Material

Priorität; No. 533o7/75 - 31.12.1975 - Grossbritannien

Die Erfindung bezieht sich auf die Extrusion von polymerem Material und insbesondere auf eine Vorrichtung für eine derartige Extrusion.

Stand der Technik

Als Ersatz für herkömmliche Schneckenextruder wurden Drehscheibenextruder entwickelt. Eei diesen. Drehscheibenextrudem wird nahezu ausschließlich Polymer zum Rand der Scheibe

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geführt, dieses Polymer zwischen einer Drehscheibe und einer stehenden Oberfl.']ehe Scherkräften ausgesetzt, das Polymer in Zentripetalrichtung bewegt und schließlich das Polymer in Achsialrichtung der Drehscheibe abgenommen, so daß die höchste Scherwirkung zunächst auf das ungeschrr.olzene Material und die niedrigste Scherwirkung am Abführungspunkt ausgeübt wird.

Die Erfindung

Gemäß der Erfindung wird demgegenüber ein Extrusionsverfahren und eine Extrusionsvorrichtung vorgeschlagen, bei welchen das Material unter dem Einfluß von Scherwirkung und viskoser Zugwirkung von einem Ort in der Nachbarschaft der Achse der Drehscheibe gegen deren Rand geführt und von einem Punkt abgeleitet wird, der radial außerhalb und im Abstand von der Zuführstelle liegt.

Die Zeichnungen

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Extrusionsvorrichtung;

Figur 2 eine Vorderansicht einer bei der Ausführungsform von Fig. 1 als Pumpelement verwendeten Scheibe;

Figur 3 einen Schnitt an der Linie 3-3 von Fig. 2; und

Figuren 4-9

Schnitte durch alternative Zuführungs-, Extrusions-

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und Abführungsanordnungen. Bevorzugte Ausführungsform

Ger.^ß den Fig. 1 und 2 wird Kunststoffgranulat 1 oder anderes flüssip-.es oder festes Extrudiermaterial zu einem Trichter 2 geführt. Vom Trichter 2 gelangt es in einen Hals 3 und dann in den Eereich einer Förderschnecke 4. Die Extrusionseinheit 5 wird in den verschiedenen Zonen durch die Verwendung, von Erhitzern 6, 7 und 8 auf den erforderlichen Temperaturen gehalten.

Ein Antriebsmotor, dessen Drehgeschwindigkeit durch einen geeigneten Regler eingestellt werden kann, wird angeschaltet. Der -lotor 9 bewirkt eine Drehung der Förderschnecke 4 und einer damit verbundenen Scheibe Io im Kohlraum der Extrusionseinheit 5. Hierdurch wird das Kunststoffgranulat oder das andere extrudierbare Material 1 zur Mitte der Scheibe Io geführt, die auf der Stirnseite mit Spiralen versehen ist.

Das in der Mitte zugeführte Material wird zwischen den Doppelspiralen 11 auf der Scheibe Io und der unmittelbar gegenüberliegenden Gegenplatte 12 einer Scherwirkung unterworfen. Die Spiralen 11 besitzen in radialer Richtung von der Achse der Scheite Io ausgehend (siehe Fig. 3) eine abnehmende Tiefe, um die sich beim-Schmelzen des Polymers ändernde Schüttdichte zu berücksichtigen. Durch die vereinigten Einflüsse der Visrir.ezuführung von der Grundplatte 12 und der mechanischen Durcharbeitung mittels der Spiralen 11 wird das extrudierbare Material 1 verflüssigt,' sofern es nicht schon geschmolzen ist. Die viskose Zugwirkung des Materials 1 auf den Spiralen 11 zwingt das Material zum Rand 13 der Scheibe Io und in den ringförmigen Raum zwischen dem Rand 13 und der benachbarten stehenden Wand. ·

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-If-

Von dort aus fließt das Material 1 über die konische Rückseite 14 der Scheibe zu einer axial angeordneten Abgabeöffnung 15·

Die konische Rückfläche 14 der Scheibe Io kann ebenfalls geformt sein, um Volumenelemente des Materials zu mischen und auszutauschen. F.ine solche Formung kann auch die Förderung des Materials zur Abgabeöffnung 15 unterstützen.

Die Einführung des zu extrudierenden Materials in der Mitte oder in der Nc^he der Mitte der Scheibe Io und die Abführung des extrudierten Materials am oder in der Np'he des Rands der Scheibe Io ermöglicht es, bei der Zuführung des Materials auf dieses eine geringe Scherwirkung auszuüben und diese Scherwirkung allmählich zu steigern, bis das geschmolzene Material unter einer hohen Scherwirkung am Rand 13 abgegeben wird. Diese Anordnung ergibt eine zufriedenstellende laminare Mischung des geschmolzenen Materials sowie eine zentrifugale bzw. radial nach außen gerichtete Pumpwirkung.

Die Scheibe Io kann an den Stellen perforiert sein, wo das extrudierbare Material bereits ausreichend verflüssigt ist, um zusätzliche oder alternative Abgabeöffnungen von der mit Spiralen versehenen Oberfläche der Scheibe Io zu schaffen.

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Anstelle' der Erhitzer 6,7 und 8 können geeignete Erhitzer und Kühler der Scheibe Io und/oder der Gegenplatte 12 zugeordnet sein, je nach der gewünschten Funktion der Einheit.

Der Abstand zwischen der Scheibe Io und der Gegenplatte 12 kann durch ein Verschiebungselement 15aeingestellt werden, damit die Mischwirkung auf das extrudierte Material verändert werden kann. Ein Lager 16 ist vorgesehen, um den beim Extrusionsverfahren erzeugten Schub aufzunehmen, während Lager 17 und 18 eine axiale Lagerung für die sich drehenden Elemente h und Io abgeben. Der Abstandseinstellungsmechanismus kann gegebenenfalls weggelassen werden.

Die gesamte Zusammenstellung wird mit Hilfe von Haltern 2o und 21 auf einem geeigneten Rahmen 19 festgehalten. Beim Normalbetrieb kann die Abgabeöffnung 15 mit einer herkömmlichen Verformungsdüse oder einem herkömmlichen Abführungssystera verbunden sein. Eine Ventilierung des Gehäuses 5 kann gegebenenfalls vorgesehen werden, um die Abgabe von Luft oder- flüchtigen Materialien zu ermöglichen.

Durch die Verwendung der in den Pig. I und 2 dargestellten Vorrichtung wurden Extrusionen mit verschiedenen Materialien bei verschiedenen Drehgeschviindigkeiten, Abständen zwischen den Teilen Io und 12, Temperaturen und Rückdrücken ausgeführt, Derartige Materialien wie Polyäthylen niedriger Dichte, Polyäthylen hoher. Dichte, Polystyrol, Polyäthylenterephthalat, Nylon, nicht-weichgemachtes Polyvinylchlorid, Epoxyharze, Styrol/ButadienrKautschuke und Polypropylen, wurden in dieser Vorrichtung erfolgreich mit und ohne Füllstoffe und Verstärkungsmaterialien, wie z.B. zerkleinerte Glasfasern, extrudiert.

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Zwar kann der Extruder insbesondere zum Extrudieren von Kunststoffmaterialien und Kautschuken verwendet werden, aber es gibt noch viele andere Materialien, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Vorteil behandelt und extrudiert v/erden können.

Beispielsweise kann Brotteig gemischt, durchgearbeitet und aus der Vorrichtung abgegeben werden. Weiterhin können VJeichmacher mit Polymeren, wie z.B. Polyvinylchlorid, gemischt und durchgearbeitet werden. Die Vorrichtung kann zum Scheren und zum thermischen Abbau von Polymeren oder zum Vernetzen von Polymeren gleichzeitig mit deren Extrusion verwendet werden. Schließlich kann die Vorrichtung auch für die gleichzeitige Pfropfpolymerisation und Extrusion verwendet werden, indem wahrend der Scherung ein Polymer, Monomer oder andere entsprechende Zusätze eingeführt werden.

Alternative Ausführunpsformen

Die Fig. 4 bis 9 zeigen unterschiedliche Ausführungsformeη der Extrusionseinheit 5₉ welche anstelle der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform verwendet werden können.

Gemäß Fig. U erfolgt die Zuführung des Materials durch den Trichter 2 außerhalb der Achse der Scheibe Io. Gemp'ß Fig. geschieht die Zuführung des Materials durch den Trichter 2 an der Achse der Scheibe Io, wobei die Antriebswelle H an der entgegengesetzen Seite der Scheibe Io und der Austritt senkrecht zur Achse der Scheibe Io angeordnet ist.

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Geräß Fig. 6 dreht sich die Scheibe um eine vertikale Achse, während im übrigen die Einheit 5 die in Fig. ¹J gezeigte Konstruktion aufweist. Auch Fig. 7 zeigt die vertikale Anordnung der Achse, die ansonsten der Fig. 5 entspricht.

Fig. 8 zeigt eine abgewandelte Form der Scheibe Io, wobei die Oberfläche, welche die Spiralen 11 trägt, konisch ausgebildet ist. Gem^'ß Fig. 9 ist ein Umfangsantrieb für die Drehung der Scheibe Io vorgesehen, wobei der Austritt an der Achse der Scheibe Io liegt.

Es ist auch möglich, die Spiralen 11 in der Gegenplatte und nicht in der Scheibe Io auszubilden, wobei die Scheibe dann eine glatte Oberfläche aufweist. Alternativ kann sowohl die Gegenplatte 12 als auch die Scheibe Io mit entsprechend geformten Oberflächen ausgebildet sein.

Zν;ar ist die Scheibe Io so dargestellt, daß sie eine Doppelspirale aufweist, es ist jedoch auch möglich, eine einzelne Spirale, eine Vielzahl von Spiralen mit sich ändernden und unterschiedlichen Geometrien, unterbrochene Spiralen und Spiralen mit nicht-spiralenfcrmigen Mischabschnitten und auch andere geeignete Formen zu verwenden. Die Spiralen müssen nicht unbedingt durchgehend sein.

Die Form der Drehscheibe kann innerhalb von Grenzen verändert werden, vorausgesetzt, daß diese Formen das extrudierbare Material dazu veranlassen, im wesentlichen radial von der Achse der Scheibe aufgrund des Vorhandenseins solcher Formen und der Drehung der Scheibe zu fließen. Die Verwendung von Leitblechen der verschiedensten geeigneten Formen fällt ebenfalls in den Bereich der Erfindung. Erhabene Spiralen werden

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4%.

gemäß der Erfindung bevorzugt, da durch den daraus resultierenden, verhSltnismi'ßen langen Strönungsweg des extrudierbaren Materials von der Mitte der Spirale zur. Hand der Drehscheibe das Material einer beträchtlichen Scherwirkung unterworfen wird und dies in vielen Fällen bei der Extrusion und bein Mischen von Kautschuken und Thermoplasten nützlich ist. Andere Formen und Abwandlungen als diejenigen, die in den Zeichnungen dargestellt und hier beschrieben sind und die von Fachleuten ohne weiteres angegeben werden können, fallen in den Bereich und in die Prinzipien der Erfindung, so lange sie zusammen mit der Drehung der Scheibe extrudierbares Material, welches in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der Scheibe zugeführt wird, insgesamt in einer radialen Richtung von der Mitte fördern.

Zusammenfassung

Die Erfin'dung schafft also eine billige und einfache Vorrichtung für die Bewirkung einer Extrusion von Thermoplasten, Kautschuken und anderen fließfähigen Medien. Die Vorrichtung benötigt wenig Energie zur Bewirkunp; der Extrusion und ermöglicht gleichmäßige Abgabegeschwindigkeiten und einen gleichmäßigen Betrieb, welche leicht zu kontrollieren sind. Die zentrifugale Pumpwirkung und die Materialzuführungs- und -abführungsanordnungen unterscheiden die erfindungsgemSße Vorrichtung von bekannten Extrudern.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche:

1.1 Verfahren zur Behandlung von viskosem Material, ^ dadurch gekennzeichnet, daß man das viskose Material zwischen Wandungen einbringt, die einen gekrümmten Strömungsweg in Zentrifugalrichtung von einem zentralen Ort zu einem radial entfernt liegenden Ort definieren, und daß man das viskose Material dort einer Scherwirkung unterwirft, um es zwischen diesen Wandungen zum Strömen zu veranlassen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen auf einer Oberfläche einer rotierenden Scheibe ausgebildet sind, die sich von der Mitte der Scheibe zu deren Rand erstreckt, und das viskose Material durch eine Relativbewegung zwischen der Scheibe und einer

. benachbarten stehenden Oberfläche Scherwirkungen unterworfen wird, die auf das viskose Material einwirken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material vom Rand der Scheibe abgeführt wird, und zwar vorzugsweise dadurch, daß das viskose Material vom Scheibenrand ausgehend auf die der erwähnten Oberfläche der Scheibe gegenüberliegenden Oberfläche fließengelassen wird und das viskose Material zur Abführung an dieser Achse zusammengeführt wird.

¹J. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3_S dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg in Strömungsrichtung abnehmenden Querschnitt aufweist.

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5. Verfahren nach einem der Ansprache 1 bis ^, dadurch gekennzeichnet, daß das viskose Material durch Schnelzen des zu behandelnden Materials,beispielsweise teilchenforirires polymeres Material, unter dem Einfluß von V-rr.z und Scherkräften am stromaufv^T"rtip;en Er.de des Strömun£3-vep.s gebildet wird, und daß die Scherkräfte entlang des Strönunpcswegs allmählich zunehmen.

6. Extrusionsvorrichtunp mit einer Scheibe, die drehbar im Hohlraum eines stehenden Gehäuses angeordnet ist, wobei die Scheibe und das Oehruse benachbarte Zusammenarbeitende Oberflächen aufv/eisen, die auf das zu extrudierende Material einwirken, gekennzeichnet durch Frhebungen bzw. Ausnehmungen(11) in mindestens einer der benachbarter, zusammenarbeitenden Oberflächen (lo, 12), durch welche das Material auf der Scheibenoberfläche (lo) während deren Rotation Scherwirkungen ausgesetzt und zu einem zentrifugalen Fluß veranlaßt xd.rd, einen Eintritt (4), der mit dem Hohlraum in der Nähe der Achse der Scheibe (lo) und der zusammenarbeitenden Oberflächen (lo, 12) angeordnet ist, um zu extrudierendes Material zu den Erhebungen bzw. Ausnehmungen zu führen, und einen Austritt (15)» der mit dem Hohlraum und mit den Bereichen der Scheibe (lo) in Verbindung: steht, die radial vom Eintritt (4) entfernt liegen. _%

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten zusammenarbeitenden Oberflächen (lo, 12)

• im allgemeinen planparallel verlaufen und daß die Erhebungen bz\i. Ausnehmungen in der Oberfläche der Scheibe (lo) ausgebildet sind.

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BAD ORIGINAL

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Scheibe eine konkave Schüsselform auf v/eist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten zusammenarbeitenden Oberflächen (Ioj 12) im allgemeinen spiegelbildlich ausgebildet sind, und daß die Erhebungen bzw. Absenkungen (11) auf der Oberfläche der Scheibe (lo) ausgebildet sind.

Ig. Vorrichtung nach einem der Ansprüche β bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum(5)und die Scheibe (lo) im allgemeinen komplementär geformt sind und daß die Scheibe (lo) von der Innenwand des Hohlraums (5) einen Abstand aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch Io, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (lo) auf der Seite, die der Arbeitsoberfläche axial gegenüberliegt, eine im allgemeinen konische Oberfläche (14) aufweist, und daß der Austritt (15) axial zum Hohlraum (5) angeordnet ist und mit dem Raum zwischen der konischen Oberfläche (14) und der benachbarten Innenwand des Hohlraums in Verbindung steht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die konische' Oberfläche (I¹O ebenfalls Erhebungen bzw. Ausnehmungen aufweist.

13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen bzw. Ausnehmungen die Form mindestens einer aufrechtstehenden Wand aufweisen, die sich spiralenförmig von der Achse der Scheibe (lo) zu deren Rand (13) erstreckt.

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Ή.

I^. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen bzw. Ausnehmungen (11) die Form von zv/ei aufrecht stehenden Wänden aufweisen, die sich spiralenförmig von der Achse der Scheibe (lo) zu deren Rand (13) erstrecken.

15· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Einstellmechanismus aufweist, /aim der Abstand zwischen den zusammenarbeitenden Oberflächen (Io, 12) eingestellt werden kann.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 15_} gekennzeichnet durch eine im allgemeinen horizontale Anordnung der Achse der Scheibe (lo), durch eine Anordnung des Austritts (¹J) auf der Achse der Fcheibe(lo), durch eine mit der Scheibe und mit einem Antrieb smechanismus (9) verbundene Welle, durch einen Trichter (2), durch eine Zuführschnecke (4), die der Antriebswelle zugeordnet ist und sich zwischen dem stromabw/irtigen Ende des Trichters (2) und dem Eintritt erstreckt, und durch gegebenenfalls ein Drucklager, das an der Antriebswelle gegenüberliegend der Scheibe (lo) angeordnet ist, damit der Abstand zwischen den zusammenarbeitenden Oberflächen (lo, 12) eingestellt werden kann.

PATENTANWÄLTE

DR.- -·3. H. FINCKE, DIPL.-ING. H. 80HR DIPL..ING. S. STAEQER. DR. rer. nat. R. KNEISSL

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