DE2804037A1

DE2804037A1 - Verfahren und vorrichtung zum schmelzen eines kunststoffes

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Publication number: DE2804037A1
Application number: DE19782804037
Authority: DE
Inventors: Housz Jan Floris Prof Ingen
Original assignee: INGEN HOUSZ JAN
Current assignee: INGEN HOUSZ JAN
Priority date: 1977-02-25
Filing date: 1978-01-31
Publication date: 1978-08-31
Also published as: DE2804037C2; NL163984B; GB1593345A; FR2381610A1; IT1101882B; BE886316Q; NL7702020A; US4218146A; IT7835620V0; FR2381610B1; IT7848172A0

Description

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28. März 1978

B 57OO - rel2804037

Jan Floris Ingen Housz, Enschede

"Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen eines Kunststoffs"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Schmelzen eines Kunststoffs zwecks Erlangung einer nahezu homogen geschmolzenen Masse, wobei von einem hauptsächlich ungeschmolzenen körnigen oder gleichartigen Material ausgegangen wird, dem Wärme zugeführt wird, während es durch Puepeittel durch den Raum zwischen einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt und einem darin rotierenden Körper transportiert wird. Bei bekannten Verfahren dieser Art besteht der rotierende Körper im allgemeinen aus einer Schneckenwelle mit einfachem Schneckengang für den Materialtransport, während das Gehäuse mit Erhitzungsmitteln versehen ist. Die

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erste, geringe Schmelzmenge entsteht an einem Wandteil des erhitzten Raums und bildet dort eine dünne Schicht zwischen diesem Wandteil und dem noch ungeschmolzenen Kunststoff. Mittels dieser dünnen Schicht wird die für das weitere Schmelzen des Kunststoffs nötige Wärme dem ungeschmolzenen Kunststoff zugeführt, teils durch Übertragung von Wärme von der erhitzten Wand des Gehäuses auf den ungeschmolzenen Kunststoff, teils dadurch, daß in der genannten Schmelzschicht durch die relative Bewegung zwischen den Wänden des Raumes und der ungeschmolzenen Masse eine Strömung instandgehalten wird, in der die für die Instandhaltung der relativen Bewegung aufgenommene mechanische Energie in Wärmeenergie umgesetzt wird, die ebenfalls den Schmelzprozeß fördert.

Ein Nachteil dieser Art von Verfahren besteht darin, daß die Breite des sich durch die Schneckengänge fortbewegenden Pfropfens von ungeschmolzenem körnigem Kunststoff in der Transportrichtung abnimmt, was seine Ursache darin hat, daß die gebildete Schmelze im Laufe des Schmelzprozesses einen immer größeren Teil der Breite des Schneckengangs einnimmt. Hierdurch wird in Transportrichtung die ge Längeneinheit des rotierenden Körpers (bzw. des Schneckengangs) für die Wärmezufuhr verfügbare Fläche des ungeschmolzenen Kunststoffpfropfens immer kleiner, so daß das Schmelzen immer langsamer vor sich geht.

Nach den gängigen Auffassungen nimmt die Dicke der dünnen Schmelzschicht, die sich zwischen den Wänden des erhitzten Raumes und dem ungeschmolzenen Kunststoffklumpen befindet, in der Richtung

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der relativen Bewegung dieser Wände gegenüber dem genannten Pfropfen zu. Daraus ergibt sich ein zweiter Nachteil der Verfahren der beschriebenen Art, nämlich insbesondere der Kachteil, daß die Wärmezufuhr zu dem ungeschmolzenen KunststoffjDcopfen bei zunehmender Dicke der genannten Schmelzschicht abnimmt. Zwar hat man versucht, diesen Nachteil durch Verwendung einer mehrgängigen Schnecke über zumindest einen Teil der Länge der Schneckenwelle zu verringern, jedoch führt eine solche Maßnahme unter im übrigen gleichen Umständen zu einer verringerten Förderwirkung der Schnecke, wodurch der Durchsatz der Vorrichtung abnimmt oder aber der in der Zufuhrzone erzeugte Druck niedriger als bei der Verwendung einer eingängigen Schnecke bleibt.

Schließlich tritt bei bekannten Verfahren, namentlich bei einer relativ hohen Produktion, die Erscheinung auf, daß der ungeschmolzene Kunststoff in Längsrichtung der Schneckengänge gesehen keinen ununterbrochenen Pfropfen bildet, sondern, daß sich stellenweise während des Schmelzprozesses im gesamten Querschnitt des Schneckenganges ausschließlich Schmelze befindet. An diesen Stellen findet daher kein weiteres Schmelzen statt, wodurch die für ein vollständiges Schmelzen des Kunststoffes erforderliche Schneckenganglänge größer ist, als dies ohne derartige Unterbrechungen notwendig wäre. Koch schwerwiegender ist Jedoch, daß diese Erscheinung, die meist als Pfropfen/bezeichnet wird, zumindest nach Ansicht vieler Sachverständigen die Ursache von während der Extrusion auftretenden Druckschwankungen ist, die

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zu Ungleichmäßigkeiten im Durchsatz ge Zeiteinheit führen. Derartige Ungleichmäßigkeiten können, namentlich bei Prozessen wie Kabelummantelung und Folienproduktion, zu einer verringerten Qualität des Produkts führen. Man hat zwar bereits versucht, den

bruch

Pfropfen/durch Hinzufügung spezieller Schneckengänge zu verhindern, aber diese Versuche haben hinsichtlich der abnehmenden Pfropfenbreite und der zunehmenden Schmelzschichtdicke keine Verbesserung herbeigeführt, so daß der Durchsatz je Zeiteinheit und Längeneinheit sich nur geringfügig verbesserte.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung eines verbesserten Verfahrens für eine erhöhte Schmelzgeschwindxgkeit ge Längeneinheit des rotierenden Körpers. Zu diesem Zweck erfolgt gemäß der Erfindung die Wärmezufuhr zumindest hauptsächlich über einen axialen Abschnitt des genannten Raumes, in dem dieser Raum in die Richtung des Umfangs gesehen in einander abwechselnde Zufuhr- und Abfuhrkanäle verteilt wird, die durch über den genannten Abschnitt an dem rotierenden Körper starr angebrachte erste Rippen, die undurchlässig oder nahezu undurchlässig für geschmolzenen Kunststoff an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und durch g'eweils zwischen zwei ersten Rippen parallel oder nahezu parallel zu diesen verlaufende, an dem rotierenden Körper starr angebrachte zweite Rippen, die mit einem bestimmten Spiel für ungeschmolzenen Kunststoff dicht oder nahezu dicht an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und schließlich durch Stege gebildet werden, die die Endender ersten und zweiten Rippen abwechselnd an der Zufuhr-

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und Abfuhrseite miteinander verbinden, derart, daß die in den Zufuhrkanälen entstandene Schmelze sich dadurch, daß sie über die zweiten R^pen zu den Abfuhrkanälen fließt, von der ungeschmolzenen Kunststoffmasse in den Zufuhrkanälen absondert.

Bei diesem Verfahren wird die erzeugte Schmelze ständig über die genannten zweiten Rippen, die die Funktion von Ubaströmdämmen erfüllen, zum Abfuhrkanal geleitet, während im Zufuhrkanal ausschließlich oder nahezu ausschließlich ungeschmolzener Kunststoff zurückbleibt; diese ungeschmolzene Masse kann daher über eine nur dünne Schmelzschicht der Wärmezufuhr ausgesetzt werden, und zwar über die volle Breite der Zufuhrkanäle. Es hat sich gezeigt, daß man hierdurch eine wesentlich größere Schmelzproduktion je Zeiteinheit erhält, wodurch beispielsve.se eine beträchtliche Verkürzung des rotierenden Körpers möglich wird. Ferner erhält man durch den günstigen Geschwindigkeitsvektor der relativen Bewegung des festen Stoffes gegenüber dem Gehäuse noch eine erhöhte innere Wärmeerzeugung in der Schmelzschicht· Dieser Geschwindigkeitsvektor wirkt optimal, wenn man einen
axialen oder nahezu axialen Verlauf der Rippen des rottenden Körpers wählt.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung kann dafür gesorgt werden, daß zwecks Erlangung einer konstanten oder nahezu konstanten Transportgeschwindigkeit des Pfropfens und damit eines zumindest nahezu konstant bleibenden Geschwindigkeitsvektors des

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des festen Stoffs gegenüber dem Gehäuse der Querschnitt des zumindest nahezu mit dem ungeschmolzenen Kunststoff gefüllten Zufuhrkanals abnimmt, und zwar in demselben Maße, in dem der Kunststoff geschmolzen und zum Abfuhrkanal geleitet wird. Dadurch bleibt die Wärmezufuhr ge Oberflächeneinheit des festen Klumpens über die Länge des Zufuhrkanals gesehenftconstant oder nahezu konstant.

Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung für die Anwendung der Verfahren gemäß der Erfindung. Diese Vorrichtung enthält Zufuhrmittel für die Zufuhr des ungeschmolzenen Kunststoffs zu Pumpmitteln, um diesen Kunststoff zu einem durch ein Gehäuse mit Erhitzungsmitteln und einem in dem genannten Gehäuse rotierend antreibbaren Körper gebildeten Schmelzteil und durch diesen hindurch zu transportieren , Pumpvorrichtungen, um die erhaltene Schmelze aus der Vorrichtung abzuführen, und Antiiebsmittel für den Antrieb des genannten Körpers, wobei der drehbare Körper mit zur Zufuhrseite geöffneten Zufuhrkanälen versehen ist, die sich in Richtung des ümfangs gesehen mit zur Abfuhrseite hin offenen Abfuhrkanälen abwechseln; diese Zufuhr- und Abfuhrkanäle werden durch über die Länge des genannten Schmelzteils an dem drehbaren Körper starr angebrachte erste Rippen, die undurchlässig oder nahezu undurchlässig für geschmolzenen Kunststoff an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen können, und durch jeweils zwischen zwei ersten Rippen parallel oder nahezu parallel zu diesen verlaufende, an dem drehbaren Körper starr angebrachte

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zweite Rippen, die mit einem bestimmten Spiel für ungeschmolzenen Kunststoff dicht oder nahezu dicht an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen können, und schließlich durch Stege gebildet, die die Enden der ersten und zweiten R?pen abwechselnd an der Zufuhr- und der Abfuhrseite miteinander verbinden, wobei die ersten Rippen vorzugsweise einen axialen oder nahezu axialen Verlauf haben. Ferner können die ersten und zweiten Rippen auch einen äußerst schmalen oberen Rand haben, der nur an-hand der konstruktionsmäßigen AnfOrdnungen bestimmt zu werden braucht. Indem ferner den Stegen an der Zufuhrseite wie auch an der Abfuhrseite des drehbaren Körpers ein Spiel zur Innenwand gegeben wird, das dem Spiel der zweiten Rippen zu dieser Innenwand entspricht, wird die verfügbare Überströmstrecke für die Schmelze vergrößert.

In einer Vorrichtung gemäß der Erfindung können zweckmäßigerweise die Zufuhrkanäle eine größere Breite besitzen als die Abfuhrkanäle, hierdurch erhält die ungeschmolzene Masse über die gesamte Länge des drehbaren Körpers eine große Aufnahmefläche für die Übertragung der zugeführten Wärme.

Der zweite genannte Nachteil bestehender Vorrichtungen wird gemäß der Erfindung durch die Verwendung mehrerer Zu~ und Abfuhrkanäle, vorzugsweise von mindestens drei Paaren, verringert, wodurch das Anwachsen der Dicke der Schmelzschicht in Richtung der genannten relativen Bewegung beschränkt wird. Bei größerem Durchmesser des drehbaren Körpers wird zur Beschränkung der Zunahme der Schmelz-

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sctdchtdicke vorzugsweise mit mehr als drei Kanalpaaren gearbeitet werden müssen. Die Zahl der zu verwendenden Kanalpaare wird jedoch dadurch begrenzt, daß jedes weitere Kanalpaar eine zusätzliche erste und zweite Rippe erfordert, wodurch der für die Kanäle selbst verfügbare Teil des Umfangs des drehbaren Körpers um die Breite einer ersten und einer zweiten Rippe abnimmt. Diese Erwägung führt bei der Ausführung stets zu einem Kompromiß bezüglich der Wahl der Zahl der Kanalpaare. Je schmaler ein Zufuhrkanal gewählt wird, desto höher wird die mittlere Schmelzproduktion je Flächeneinheit sein. Das Optimum hängt ab von den Materialeigenschaften und kann für unterschiedliche Kunststoffe und Betriebsverhältnisse zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Das Optimum liegt stets bei der Anzahl von Kanälen, bei der das Produkt aus der mittleren Schmelzproduktion je Flächeneinheit der Zufuhrkanäle und dem insgesamt für die Zufuhrkanäle verfügbaren Teil der Umfangslänge am größten ist.

Um eine Wirkungsweise zu erlangen, bei der der genannte Geschwindigkeitsvektor des Pfropfens über die gesamte Länge des Schmelzteils des rotierenden Körpers konstant oder nahezu konstant ist, kann eine Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer abnehmenden Tiefe der Zufuhrkanäle versehen sein, derart, daß in Transportrichtung gesehen der Querschnitt der Zufuhrkanäle bei konstanter Breite an Fläche abnimmt. Zu diesem Zweck kann den Zufuhrkanälen ein bestimmtes Tiefengefälle verliehen werden, so daß die Geschwindigkeit des Pfropfens in Transportrichtung konstant bleibt. Dadurch

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bleibt die Wärmezufuhr zu dem festen Pfropfen pro Längeneinheit dieses Pfropfens konstant. Es stellte sich dabei heraus, daß die mittlere Temperatur des Kunststoffs in dem festen Klumpen in Transportrichtung so zunimmt, daß diese mittlere Temperatur sich am Ende des Zufuhrkanals der Schmelztemperatur des Kunststoffs nähert. Infolge dieses Temperaturverlaufs wird bei gleichbleibender Wärmezufuhr ein in Transportrichtung zunehmender Teil der zugeführten Wärme zum Schmelzen des Kunststoffs verfügbar werden, so daß der Schmelzprozeß sich in Transportrichtung gesehen allmählich beschleunigt. Um diese in Transportrichtung je Längeneinheit zunehmende Menge von geschmolzenem Material abzuführen, wodurch die Dicke der bereits genannten Schmelzschicht gering gehalten wird, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Tiefengefälle des Zufuhrkanals nicht linear verlaufen zu lassen, sondern so, daß der Boden des Kanals in Transportrichtung nach innen gewölbt ist.

Da die mittlere Transportgeschwindigkeit des geschmolzenen Kunststoffs im Abfuhrkanal zur Abfuhrseite des rotierenden Körpers vorzugsweise konstant oder annähernd konstant gehalten werden muß, um zu verhindern, daß am Anfang des Abfuhrkanals unzulässig lange Verweilzeiten der Schmelze auftreten, wird für die Abfuhrkanäle vorzugsweise eine in Transportrichtung zunehmende Querschnittsfläche gewählt. Um dabei zu verhindern, daß im Anfangsgebiet der Abfuhrkanäle unerwünscht hohe Druckgradienten auftreten, kannjäie Tiefe der Abfuhrkanäle bei konstanter Breite global nach der Formel

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h = h_Q + Cz

verlaufen, wobei H die Kanaltiefe, h_Q die Anfangstiefe des Kanals und _z die Entfernung zu dem Abschlußsteg an der Zuffarseite ist, C eine Konstante darstellt, die bestimmt wird durch die Kanalbreite die Viskosität der Schmelze, die je Kanal zu transportierende Kunststoff menge und den gewählten Druckgradienten, während m der sogenannte Viskositätsindex nach Ostwald - de Waele ist.

In dem Schmelzteil der Vorrichtung gemäß der Erfindung wird wenig oder keine transportierende Wirkung auf den geschmolzenen und den ungeschmolzenen Kunststoff ausgeübt. Der Druck für das Pumpen des Materials durch die Vorrichtung ist denn auch recht hoch und kann Hunderte Atmosphären erreichen. Es ist darum notwendig, den Schmelzteil kombiniert mit Pumpvorrichtungen zu benutzen, die durch eine effektive, einen hohen Druck aufbauende Feststoff-Transportzone gebildet werden. Derartige effektive Zonen sind bekannt; eine gute Ausführungsform besteht aus einem eingängigen Schneckenförderer in einem Gehäuse, das an der Innenseite über die Länge der Feststoff -QJransportzone mit axial verlaufenden Nuten versehen ist. Für eine gute Wirkung eines solchen Zufuhrteils ist es erwünscht, das Gehäuse mindestens über seinen genuteten Teil effektiv gekühlt zu halten. Um zu verhindern, daß durch diese Kühlung die zum Gehäuse des Schmelzteils durch Erhitzungsmittel zugeführte Wärme in unzulässigem Masse abgeführt wird, muß zwischen dem Gehäuse der Zufuhrzone und dem Gehäuse des Schmelzteils eine Wärmesperre ange-

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bracht werden. Es hat sich gezeigt, daß der Abstand zwischen dieser Wärmesperre und den AbSchlußStegen an der Zufuhrseite des Schmelzteils mindestens so groß wie der Durchmesser des rotierenden Körpers und vorzugsweise kleiner als das Dreifache dieses Durchmessers sein muß. Der drehbare Körper kann dann über zumindest einen Teil dieses Abstandes mit einem Schneckengang versehen sein, der zumindest annähernd dieselbe Form und Abmessung wie der Schneckengang des Zufuhrteils hat, wobei beide Schneckengänge ineinandergreifen. Bei geometrischen Verhältnissen Jedoch, die stark von denjenigen abweichen, die bei der Anwendung eingängiger länglicher Extruderschnecken gebräuchlich sind, wie bei der nachstehend zu besprechenden Ausführungsform der Erfindung, bei der an der Abfuhrseite eine Scheibenpumpe angewendet wird, können für den genannten Abstand keine auf den Durchmesser des drehbaren Körpers bezogenen Regeln aufgestellt werden.

Im allgemeinen kann gesagt werden, daß die Erfindung sich dazu eignet, daß die Pumpmittel aus sich an die Kanäle des Schmelzteils anschließenden Schneckengängen bestehen, die auf eine außerhalb des Schmelteils liegenden Teil des drehbaren Körpers des Schmelzteils angebracht sind. Dadurch wird nicht ausgeschlossen ,daß das Gehäuse einen sich in axiale Richtung ändernden Durchmesser hat.

Im Zusammenhang mit den vorstehenden Darlegungen über den erforderlichen hohen Zufuhrdruck auf den durch den Schmelzteil

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zu transportierenden Kunststoff kann die Erfindung vorteilhaft mit einer Schneckenpumpe kombiniert werden, bei der das Gehäuse zwei drehbare Körper enthält, deren Schneckengänge, die die Pumpmittel darstellen, so ineinandergreifen, daß eine an sich bekannte Doppelschneckenpumpe gebildet wird, wobei die drehbaren Körper beide mit einem Abschnitt versehen sind, auf dem die genannten ersten und zweiten Rippen und die sie verbindenden Stege angebracht sind; diese Abschnitte laufen beide in einem Teil des Gehäuses, dessen Querschnitt kreisförmig ist. Bei der Kombination mit einer Doppelschneckenpumpe ist es vorteilhaft, auch hinter dem Schmelzteil eine Doppelschneckenpumpe zu benutzen.

Da eine Vorrichtung mit einem Schmelzteil gemäß der Erfindung vorteilhaft mit einem drehbaren Körper von großem Durchmesser und kurzer Länge ausgeführt werden kann, kann man für das weitere Pumpen der aus den Abfuhrkanälen kommenden Schmelze an der infolgedessen großen Stirnfläche des rotierenden Körpers zweckmäßig eine Scheibenpumpe rotationsfest anbringen.

Auch können Plastifiziervorrichtungen für eine Spritzgußmaschine, die nach dem Prinzip der Injekton durch eine axial bewegliche, während der Injektion als Verdränger fungierende Schnecke arbeite*, zweckmäßig mit einem Extruderteil versehen werden, der einen Schmelzteil gemäß der Erfindung enthält.

Zur Verdeutlichung der Erfindung werden unter Verweisung auf die

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Zeichnung einige Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei noch /einige weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung dargestellt werden.

In der Zeichnung zeigen:

Abbildung 1 einen schematischen Längsschnitt eines Extruders mit eingängiger Schneckenpumpe, in dem der Schmelzteil gemäß der Erfindung angewendet ist;

Abbildung 2 die innerhalb der Umrandung II in Abbildung 1 liegenden Teile in vergrößerter Darstellung;

Abbildung 3 einen Querschnitt in der durchHI-III in Abbildung bezeichneten Ebene;

Abbildung 4- eine schematische, perspektivische Ansicht eines mit dem Schmellzfceil gemäß der Erfidungfo-ersehen drehbaren Körpers mit einer an der stromabwärts gelegenen Stirnfläche des drehbaren Körpers angebrachten Scheibenpumpe;

Abbildung 5 einen schematischen Längsschnitt eines Doppelschneckenpumpen-Extruders, in den Schmelzteile gemäß der Erfindung aufgenommen sind.

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In den Abbildungen 1, 2 und 3 ist schematisch ein Extruder dargestellt, der im wesentlichen aufgebaut ist aus einem Gehäuse 1 mit Zufuhrtrichter 2 für die körnige Kunststoffmasse 3. In dem Gehäuse 1 ist ein drehbarer Körper 4 gelagert, der durch nicht weiter angegebene Mittel gedreht werden kann. Das Anfangsgebiet des drehbaren Körpers 4 wird durch eine Schneckenpumpe 5 gebildet, die in Strömungsverbindung mit dem Schmeiteteil 6 steht, während der drehbare Körper 4 sich weiter fortsetzt in der Form einer Schneckenpumpe 7i welche die erhaltene Schmelze 8 unter Druck zu einer (nicht dargestellten) Formvorrichtung transportiert. Der Schmelzteil 6 besitzt rund um das Gehäuse Erhitzungsmittel 11. Der drehbare Körper 4 ist mit einander abwechselnden ersten Rippen 13 und zweiten Rippen 14 versehen, die abwechselnd durch Stege 1o, 16 verbunden sind, so daß breite Zufuhrkanäle 17 und schmale Abfuhrkanäle 18 gebildet werden. Die ersten Rippen 13 haben zur Innenwand des Gehäuses so viel Spiel, daß geschmolzener Kunststoff nicht oder nur in geringer Menge zwischen einer ersten Rippe 13 und der Innenwand des Gehäuses 1 durchströmen kann. Die zweiten Rippen 14- besitzen ein Spiel zur Innenwand des Gehäuses 1, das größer als dasjenige der ersten Rippen I3 ist, und zwar so groß, das das Passieren von geschmolzenem Kunststoff möglich ist, jedoch praktisch ein Abschluß gegen das Passieren von noch nicht geschmolzenem Kunststoff gebildet wird. Die Stege 1o,

16 haben ein Spiel zur Innenwand des Gehäuses, das höchstens so groß wie das Spiel der zweiten Rippen 14 ist. Die Zufuhrkanäle

17 des Schmelzteils stehen in Strömungsverbindung mit der

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Schneckenpumpe 5, die Abfuhrkanäle 18 stehen in Strömungsverbindung mit der Schneckenpumpe 7·

Die Funktionsweise der dargsteilten Vorrichtung ist wie folgt. Aus dem Zufuhrtrichter 2 fällt das körnige Kunststoffmaterxal 3 in die Schneckenpumpe 5» wonach es (in der Zeichnung) nach rechts transportiert wird. Auf diesem Transportabschnitt wird das Gehäuse nicht eher als in der Nähe des Schmelzteils 6 von außen erhitzt, einerseits, um in dem festen Stoff einen hohen Druck aufzubauen, andererseits, weil es erwünscht ist, daß der Kunststoffklumpen mit einer nur geringen Schmelzschicht umgeben in den Schmelzteil 6 eingeführt wird. Das körnige Material 3 wird in den Zufuhrkanal gepreßt und dort der Wärme der Erhitzungsmittel 11 sowie der Wärme ausgesetzt, die durch die relative Bewegung zwischen dem Kunststoff 3 und dem Gehäuse 1 in der dünnen Schmelzschicht 19, die an die Wand des Gehäuses 1 anliegt, erzeugt wird. Die Dicke der Schmelzschicht 19 nimmt dadurch in der Richtung der relativen Bewegung zu. Die Schmelzschicht 19 passiert die zweite Hippe 1Λ und, soweit bei dem Eintritt des Materials in den Schmelzteil bereits eine genügende Schmelzmenge entstanden ist, auch den Steg 1o. Der ungeschmolzene Kunststoffpfiopfen 3 wird in die Richtung des Pfeils 21 geschoben, wobei ein weiteres Schmelzen dieses Pfropfens stattfindet, während die gebildete Schmelze 8 über die zweite Rippe 14 in den Abfuhrkanal 18 sowie auch, am Ende des Zufuhrkanals 17, über den Steg 16 direkt zu der Schneckenpumpe 7 strömt, wonach die Schmelze 8 durch die Schneckenpumpe 7 weitergefördert wird.

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In Abbildung 2 ist der Geschwindigkeitsvektor 22 der relativen Bewegung der innenwand des Gehäuses 1 gegenüber demKunststoffklumpen 3 wiedergegeben.

In Abbildung 4 ist eine zweckmäßige Ausführung wiedergegeben, bei der ein großer Durchmesser des drehbaren Körpers 1o4- gewählt wurde. Die Stirnseite 23, die infolgedessen ebenfalls einen großen Durchmesser hat,ist mit einer Scheibenpumpe 24- versehen. Die Funktionsweise entspricht der vorstehend beschriebenen Funktionsweise, jedoch zeigt diese Ausführungsform, daß eine mit einem Schmelzteil gemäß der Erfindung versehene Vorrichtung außerordentlich kurz gebaut werden kann.

In Abbildung 5 ist ein schematischer Längsschnitt in Aufsicht von einer Vorrichtung wiedergegeben, in die zwei Schmelzteile gemäß der Erfindung aufgenommen sind, und bei der die Pumpenvorrichtungen aus an sich bekannten sogenannten Doppelschneckenpumpen 26, 27 bestehen.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebenen oder in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsiormen, sondern es lassen sich noch vielerlei Modifizierungen eines Schmelzteils gemäß der Erfindung ausdenken und noch verschiedene andere Kombinationen eines Schmelzteils gemäß der Erfindung mit anderen sich auf Extrusion beziehenden Elementen oder Mechanismen wählen, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung überschritten wird.

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Claims

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Jan Ifloris Ingen Housz, Enschede

"Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen eines Kunststoffs"

Patentansprüche

1.j Verfahren zum Schmelzen eines Kunststoffs zwecks Erlangung »—/

einer nahezu homogen geschmolzenen Masse, wobei von einem hauptsächlich ungeschmolzenen körnigen oder gleichartigen Material ausgegangen wird, dem Wärme zugeführt wird, während es durch Pumpmittel durch den Raum zwischen einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt und einem darin rotierenden Körper transportiert

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ORIGINAL INSPECTED

wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zumindest hauptsächlich über einen axialen Abschnitt des genannten Baumes erfolgt, in dem dieser Raum in die .Richtung des ümfangs gesehen in einander abwechselnde Zufuhr- und Abfuhrkanäle verteilt wird, die durch über den genannten Abschnitt an dem rotierenden Körper starr angebrachte erste Rippen, die undurchlässig oder nahezu undurchlässig für flüssigen Kunststoff an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und durch Jeweils zwischen zwei ersten Rippen parallel oder nahezu parallel zu diesen verlaufende, an dem rotierenden Körper starr angebrachte zweite Rippen, die mit einem bestimmten Spiel für ungeschmolzenen Kunststoff dicht oder nahezu dicht an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und schließlich durch Stege gebildet werden, die die Enden der ersten und zweiten Rippen abwechselnd an der Zufuhr- und Abfuhrseite miteinander verbinden, derart, d£ die in den Zufuhrkanälen entstandene Schmelze sich dadurch, daß sie über die zweiten Rippen zu den Abfuhrkanälen fließt, von der ungeschmolzenen Kunststoffmasse in den Zufuhrkanälen absondert.

2. Verfahren zum Schmelzen eines Kunststoffs zwecks Erlangung einer nahezu homogen geschmolzenen Masse, wobei von einem hauptsächlich ungeschmolzenen körnigen oder gleichartigen Material ausgegangen wird, dem Wärme zugeführt wird, während es durch Pumpmittel durch den Raum zwischen einem Gehäuse mit kreisförmigem Querschnitt und einem darin rotierenden Körper transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmezufuhr zumindest haupt-

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sächlich über einen axialen Abschnitt des genannten Raumes erfolgt, in dem dieser Raum in die Richtung des Umfangs gesehen in einander abwechselnde Zufuhr- und Abfuhrkanäle verteilt wird, die durch über den genannten Abschnitt an dem rotierenden Körper axial oder nahezu axial verlaufende, starr angebrachte erste Rippen, die undurchlässig oder nahezu undurchlässig für flüssigen Kunststoff an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und durch jeweils zwischen zwei ersten Rippen parallel oder nahezu parallel zu diesen verlaufende, an dem rotierenden Körper starr angebrachte zweite Rippen, die mit einem bestimmten Spiel für ungeschmolzenen Kunststoff dicht oder nahezu dicht an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen, und schließlich durch Stege gebildet werden, die die Enden der ersten und zweiten Rippen abwechselnd an der Zufunrund Abfuhrseite miteinander verbinden, derart, daß die in den Zufuhrkanälen entstandene Schmelze sich dadurch, daß sie über die zweiten Rippen zu den Abfuhrkanälen fließt, von der ungeschmolzenen Kunststoffmasse in den Zufuhrkanälen absondert.

3· Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein derartiges Querschnittsgefälle der Zufuhrkanäle gewählt wird, daß die ge Zeiteinheit geschmolzene Kunststoffmenge ge Längeneinheit eines Zufuhrkanals in Transportrichtung konstant oder nahezu konstant bleibt.

4. Vorrichtung für die Anwendung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, enthaltend Zufuhrmittel für die Zufuhr des ungeschmolzenen Kunststoffs zu Pumpmitteln, um diesen Kunststoff zu einem

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durch ein Gehäuse mit Erhitzungsmitteln und einem in dem genannten Gehäuse rotierenden, antreibbaren Körper gebildeten Schmelzteil und durch diesen hindurch zu transportieren, Pumpmittel, um die erhaltene Schmelze aus der Vorrichtung abzuführen, und Antriebsmittel für den Antrieb des genannten Körpers, dadurch gekennzeichnet, daß der drehbare Körper (4) mit zur Zufuhrseite geöffneten Zufuhrkanälen (17) versehen ist, die sich in Richtung des Umfangs gesehen mit zur Abfuhrseite hin offenen Abfuhrkanälen (18) abwechseln, welche Zufuhr- und Abfuhrkanäle (17, 18) durch über die Länge des genannten Schmelzteils (6) an dem drehbaren Körper (4) .starr angebrachte erste Rippen (13)» die undurchlässig oder nahezu undurchlässig für geschmolzenen Kunststoff an der Innenwand des Gehäuses entlanglaufen können, und durch jeweils zwischen zwei ersten Rippen (13) parallel oder nahezu parallel zu diesen verlaufende, an dem drehbaren Körper (4) starr angebrachte zweite Rippen (14) die mit einem bestimmten Spiel für ungeschmolzenen Kunststoff dicht oder nahezu dicht an der Innenwand des Gehäuses (1) entlanglaufen können, und schließlich durch Stege (1o, 16) gebildet werden, die die Enden der ersten (13) und zweiten Rippen (14) abwechselnd an der Zufuhr- und Abfuhrseite miteinander verbinden.

5. Vorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Rippen (13) einen axialen oder nahezu axialen Verlauf habe».

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6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 und 5j dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen jeder ersten (13) und zweiten Rippe (14), die einen Zufuhrkanal (17) begrenzen, größer ist als der Abstand zwischen jeder ersten (13) und zweiten Rippe , die einen Abfuhrkanal (18) begrenzen.

7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Rippen (13) und die zweiten Rippen (14) einen äußerst schmalen oberen Rand haben.

8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Stage (16) der Zufuhrkanäle (17) cLes Schmelzteils (6) ein Spiel zur Innenwand des Gehäuses (1) haben, das geschmolzenen Kunststoff durchläßt, jedoch undurchlässig für ungeschmolzenen Kunststoff ist.

9· Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (1o) der Abfuhrkanäle (18) des Schmelzteils (6) ein Spiel zur Innenwand des Gehäuses (1) haben, das geschmolzenen Kunststoff durchläßt, jedoch undurchlässig für ungeschmolzenen Kunststoff ist.

1o. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Zufuhrkanäle (I7) in die Transportrichtung des Kunststoffmaterials gesehen abnimmt.

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11. Vorrichtung gemäß Anspruch 1o, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden der Zufuhrkanäle (17) nach innen gewölbt ist.

12. Vorrichtung für die Anwendung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 4· bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpmittel aus sich den Kanälen (17» 18) des Schmelzteils (6) anschließenden Schneckengängen (5, 7) bestehen, die auf einem außerhalb des Schmelzteils (6) liegenden Teil des drehbaren Körpers (4) angebracht sind.

13. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche M- bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Abfuhrkanäle (18) in die Transportrichtung des Kunststoffmaterials gesehen zunimmt.

Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter oder nahezu konstanter Breite der Abfuhrkanäle (18) deren Tiefe "h" zumindest annähernd derGleichung h = h_Q + O.ζ ^^ entspricht, in der "h₀" die Anfangstiefe, ⁿzⁿ die Entfernung zu dem Steg an der Zufuhrseite, "m" der Viskositäeindex nach Ostwald - de Waele und C eine Konstante ist, die durch die Kanalbreite, die Viskosität der Schmelze, die ge Kanal und Zeiteinheit zu transportierende Kunststoffmenge und den gewählten Druckgradienten bestimmt wird.

15· Vorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) einen sich in axiale fiichtung ändernden Durchmesser hat.

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16. Vorrichtimg gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, versehen mit einem Gehäuse, das mit einem gekühlten Zufuhrteil versehen ist, der durch eine Wärmesperre von dem beheizten übrigen Teil des Gehäuses getrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Zufuhrseite des Schmelzteils (6) und der Wärmesperre mindestens ebenso groß und höchstens dreimal so groß wie der Innendurchmesser des Gehäuses (1) ist·

17· Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zwei drehbare Körper (4) enthält, deren Schneckengänge (26, 27), die die Pumpmittel darstellen, so ineinandergreifen, daß eine an sich bekannte Doppelschneckenpumpe gebildet wird, daß beide drehbare Körper (4) ge einen Abschnitt enthalten, auf dem die genannten ersten (13) und zweiten Rippen (14) und die sie verbindenden Stege (1o, 16) angebracht sind, und daß diese beiden Abschnitte je in einem Teil des Gehäuses (1) laufen, der im Querschnitt kreisförmig ist.

18. Plastifiziervorrichtung für eine Spritzgußmaschine, arbeitend nach dem Prinzip der Injektion mittels einer axial beweglichen, während der Injektion als Verdränger fungierenden Schnecke, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruderteil der Vorrichtung einen Schmelzteil (6) gemäß einem der Ansprüche 4 bis 16 enthält.

19· Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 15 und I7, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpmittel für den Transport der

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aus dem Schmelzteil tretenden Schmelze durch eine Scheibenpumpe

gebildet werden, die rotationsfest mit dem drehbaren Körper verbunden ist.

2o. Drehbarer Körper (4), ganz oder teilweise offensichtlich für die Anwendung der Verfahren bzw. Vorrichtungen gemäß den Ansprüchen 1 bis 19 bestimmt.

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