DE2816764A1 - Verfahren und vorrichtung zur verarbeitung von kunststoffen - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung
• von Kunststoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
• Die Verarbeitung von Kunststoffen umfaßt im allgemeinen die Verfahrensstufen Fördern, Schmelzen oder Plastifizieren und Mischen.
• Bekannt sind Verfahren, welche eine kontinuierliche Strömung verwenden, die eine Fließbewegung beinhaltet. Zum Mischen wird nur eine sich selbst einstellende Strömung angewendet. Weiterhin sind Verfahren bekannt, welche eine Verschiebeströmung zwar zum Fördern benutzen, jedoch auf eine Strömung zum Mischen überhaupt verzichten.
• Zum Mischen von hochzähen Flüssigkeiten sind unter anderem auch Verfahren bekannt, bei welchen ein Keilspalt in Drehbewegung versetzt wird.
• Die bekannten Verfahren weisen den Nachteil auf, daß sie entweder aufgrund der verwendeten Fließbewegung sehr lange Wege zum Mischen benötigen oder aufgrund der Verschiebebewegung in der Strömung eine ungleichmäßige Förderung aufweisen oder überhaupt nicht kontinuierlich arbeiten.
• Zur Durchführung der bekannten Verfahren dienen der Extruder, die Kolbenpresse oder der Kneter. Der Extruder verwendet als Strömung eine reine Fließströmung zum Fördern und Mischen, die Kolbenpresse benutzt eine Verschiebeströmung und der Kneter eine diskontinuierliche Strömung.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Förderung und Durchmischung des Kunststoffes aufzuzeigen. Demgemäß zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, daß in der Kunststoffmasse durch Anwendung einer Verschiebebewegung eine periodische Strömung erzeugt wird, welche zur Förderung der Masse verwendet wird. Eine Vergleichmäßigung der Strömung geschieht durch Zusammenfassen mehrerer, phasenverschobener Strömungen. Die Zusammenfassung erfolgt entweder nach der Verfahrensstufe Fördern oder Schmelzen (Plastifizieren) oder Mischen. Die Einwirkung eines Druckspeichers auf den Massestrom dient der weiteren Vergleichmäßigung.
• Den Verfahrensstufen Fördern und Schmelzen ist die Verfahrensstufe Mischen nachgeschaltet. Zur Durchmischung wird die Kunststoffmasse einer periodischen Strömung unterworfen, welche durch Überlagerung einer Verschiebebewegung und einer Fließbewegung erzwungen wird. Die räumliche Trennung der einzelnen Verfahrensstufen ermöglicht eine getrennte Optimierung im Gegensatz zu anderen Verfahren, wie z.B. Verwendung eines Extruders.
• In Abweichung des Verfahrens kann der Speicher auch vor der Verfahrensstufe Mischen angewendet werden.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß bei der verwendeten Feststoffpumpe das am Pumpenausgang notwendige Ventil durch eine in Förderrichtung konisch sich erweiternde Wirkfläche gebildet ist, welche das Durchtreten des Fördergutes in nur einer Richtung gestattet.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß einer Feststoffpumpe ein Hochdruckraum mit konisch sich erweiternder Wirkfläche nachgeschaltet ist, an die eine Lochscheibe mit engen Löchern anschließt und in einen konisch sich erweiternden Raum führt, der über einen Hohlzylinder mit einer bei Kunststoffpressen üblichen Düse in Verbindung steht und daß im Hohlzylinder ein rotationssymmetrischer, vor- und zurückbeweg lich antreibbarer Mischkörper mit allseitigem Abstand zur Hohlzylinder-Innenwand vorgesehen ist, welcher Mischkörper eine Ringnut aufweist, die zur Festpumpe hin in eine steile Schulter und zur Düse hin in einem flach geneigten Anstieg in den Keilspalt übergeht, wobei zwischen Düse und Mischkörper ein Druckspeicher angeordnet ist und wobei der Hohlzylinder mitsamt der Lochscheibe beheizbar ist.
• Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine periodische Strömung durch die Überlagerung einer Verschiebebewegung und einer Fließbewegung des Materials erreicht. Die Richtungsumkehr bei der Verschiebebewegung wird zum Mischen benutzt.
• Die Anwendung mehrerer, zeitlich versetzter Strömungen führt zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Förderung der Kunststoffmasse.
• Eine weitere Verbesserung der Gleichmäßigkeit der Förderung wird durch das Einwirken des Massespeichers auf die Kunststoffmasse erzielt.
• Das Mischen der Kunststoffmasse erfolgt in einem keilspaltförniigen Raum. Der teilweise oder auch der gesamte Austausch des Knets erfolgt durch Hindurchdrücken durch den engsten Spalt dieses keilspaltförmigen Raumes.
• Die Erfindung bringt noch den Vorteil, daß die Durchmischung des Materials auf engstem Raum stattfindet, mithin der Raumbedarf gegenüber demjenigen eines Extruders gering ist.
• Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, die ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 die Vorrichtung schematisch im Längsschnitt, Fig. 2 den in Fig. 1 durch gestrichelte kreisförmige Linie umschlossenen Ausschnitt, vergrößert, Fig. 3 einen abgewandelten Mischkörper.
• Die Vorrichtung umfaßt im wesentlichen den Trichter 1, das Verbindungsteil 2 und die zur zylindrischen Baueinheit zus ammenge faßten Scheiben 3, 4, 5, 6 und 7. Die Scheiben liegen dicht aneinander; sie bestehen ebenso wie das Verbindungsteil 2 aus Stahl. Auf dem zylindrischen Außenmantel der Scheiben 3 bis 7 ist eine beispielsweise elektrische Heizeinrichtung 8 angebracht. Das Verbindungsteil 2 weist eine Bohrung 9 auf, in welcher ein Kolben 10 in Richtung und Gegenrichtung des Pfeiles P verstellbar ist. Der Kolben 10 kann mittels eines nichtgezeigten Antriebes in hin- und hergehende Bewegungen versetzt werden. Der Antrieb kann beispielsweise hydraulisch ausgeführt sein. Die Hubzahl kann dabei bis zu 300 Hub/min gewählt werden.
• Auf der dem Kolben 10 gegenüberliegenden Seite führt die Bohrung 9 zu dem sich konisch erweiternden Hochdruckraum 11 mit der konusförmigen Wand 11a (Wirkfläche). Der Stutzen 12 des Trichters 1 mündet in die als Pumpraum dienende Bohrung 9. Die Teile 2 und 9 bis 12 bilden eine Feststoffpumpe. Der Hub H des Kolbens 10 sei auf die Entfernung von a nach b begrenzt.
• In der Scheibe 3 ist die Lochscheibe 13 mit den relativ engen, in Längsrichtung der Baueinheit verlaufenden Löchern 14 fest eingebaut. Der Querschnitt der Löcher 14 ist so bemessen, daß fester Kunststoff bzw. das Kunststoffgranulat nicht hindurchtreten kann, wohl aber Kunststoff im plastischen Zustand.
• In den Scheiben 5, 6 und 7 ist der Hohlzylinder 15 vorgesehen, der von der Düse 16 bis zu dem Raum 17 führt, welcher sich vom Hohlzylinder 15 aus zur Lochscheibe 13 konisch erweitert.
• Der Kolben 10 ist fest mit der Stange 18 verbunden, welche den Pumpraum 9, den Hochdruckraum 11 und die Lochscheibe 13 sowie den Raum 17 frei durchsetzt und am freien Ende, das in den Hohlzylinder 15 ragt, den Mischkörper 19 frei fliegend trägt.
• Zur Bildung des Mischkörpers 19 geht die Stange 18 am freien Ende in die konische Erweiterung 20 über, an die ein Abschnitt anschließt, in welchen eine Ringnut 21 mit einer relativ steilen Schulter 22 und einem flach geneigten Anstieg 23 eingearbeitet ist, der im Abschnitt 24 mit der Innenwand des Hohlzylinders 15 die engste Stelle des Keilspaltes 27 bildet. Der Abschnitt 24 läuft dann zur Düse 16 hin in die Spitze 25 aus. An der der Lochscheibe 13 zugekehrten Seite entsteht zwischen der Innenwand des Hohlzylinders 15 und dem Mischkörper 19 am freien Ende der steilen Schulter 22 noch ein Ringspalt, der mit 26 bezeichnet ist.
• Dieser Spalt ist in seiner Weite so bemessen, daß er plastisches Material in Richtung zur Düse 16 innerhalb des Hohlzylinders 15 passieren läßt, jedoch einen zu hohen Druckabfall ausschließt.
• Es entsteht so am Mischkörper 19 ein keilspaltförmiger Ringraum 28. Die Länge des Keilspaltes ist mit 1 bezeichnet.
• Um das Knetvolumen, das ist das Volumen des keilspaltförmigen Ringraumes 28 auf der Länge 1, ändern zu können, kann die Ausbildung so getroffen werden, daß der Ringspalt 27 in seiner Stärke änderbar ist.
• Der Hohlzylinder 15 wird in der Scheibe 6 radial von einem Kolbenspeicher 29 angeschnitten. Dessen Kolben 30 ist dicht in der Bohrung 31 geführt; er wird durch die Feder 32 belastet. Die hohe Viskosität des Kunststoffes verhindert, daß er durch den notwendigen engen Spalt zwischen Kolben 30 und Bohrung 31 hindurchtritt. Die Charakteristik des Kolbenspeichers 29 ist auf das Fördervolumen und den erforderlichen Druck vor der Düse 16 abgestimmt.
• Zur Verarbeitung des Kunststoffes wird zunächst die Feststoffpumpe in Betrieb gesetzt und die Heizeinrichtung 8 eingeschaltet.
• Alsdann wird Kunststoff, etwa als Granulat, in den Trichter 1 gegeben, von wo er in den Pumpraum 9 gelangt. Auf seinem Weg von a nach b schiebt der Kolben 10 den im Pumpraum 9 befindlichen Kunststoff (das Fördergut) vor sich her. Bei Überschreitung der Steuerkante 33 schließt der Kolben 10 den Zulauf des Kunststoffes über den Stutzen 12 ab. Das Fördergut wird nun trotz hohen Gegendruckes zwangsweise in den Hochdruckraum 11 gefördert. Ihm wird hierbei eine Fließbewegung aufgezwungen. Beim Rückhub des Kolbens 10 von b nach a durch die Verschiebebewegung verhindert die konusförmige Wand (Wirkfläche) 11a des Hochdruckraumes 11 durch Reibung an dieser Wand und durch Brückenbildung ein Zurückweichen des in den Hochdruckraum 11 geförderten Materials in überraschend einfacher Weise.
• Bei erneutem Vorschub des Kolbens 10 von a nach b wird wiederum Kunststoff in den Hochdruckraum 11 gefördert. Außerdem wird der hier befindliche Kunststoff unter hohem Druck gegen die beheizte Lochscheibe 13 gepreßt. Er schmilzt hier und wird in diesem Zustand durch die engen Löcher 14 gedrückt und fließt in den sich konisch verengenden Raum 17. Von hier aus gelangt der plastische Kunststoff in den Hohlzylinder 15 und an den Mischkörper 19 sowie in dessen keilspaltförmigen Ringspalt 28. Bei der Bewegung des Mischkörpers in Richtung des Pfeiles P bildet sich im plastischen Kunststoff innerhalb des Raumes 28 eine Keilspaltströmung aus, welche die intensive Durchmischung des plastischen Materials hier zur Folge hat. Beim Vorschieben des Mischkörpers 19 in Gegenrichtung des Pfeiles P wird die Füllung des Raumes 28 ganz oder doch teilweise ausgetauscht. Die Menge des im Raum 28 während eines Rückhubes des Mischkörpers 19 verbleibenden Materials wird durch den Querschnitt des Ringspaltes 27 beeinflußt. Das über den Ringspalt 27 nach rechts in den Hohlzylinder 15 tretende Material gelangt schließlich vor die Düse 16 und wird durch diese hindurchgedrückt. Dabei sorgt der Kolbendruckspeicher 29 für eine Vergleichmäßigung des Druckes, so daß ein relativ gleichmäßiger Ausstoß erfolgt.
• Um ein Festsetzen des Kolbens 30 durch Haftreibung auszuschtiessen, könnte dieser noch in drehende Bewegung versetzt werden.
• In Abweichung von dem gezeigten Ausführungsbeispiel können noch zusätzliche, zeitversetzt arbeitende Pumpeinrichtungen Kunststoff in die Hochdruckräume 11, 17 oder in den Hohlzylinder 15 fördern.
• Anstelle des dargestellten Druckspeichers 29 könnte auch ein dünnwandiger, elastisch federnder rohrförmiger Körper aus warm- und kriechfestem Stahl, beispielsweise aus 13CrMo44, verwendet werden.
• Der Druckspeicher 29 könnte gegebenenfalls auch entfallen, indem die Kompressibilität des Kunststoffes zur Vergleichmäßigung des Druckes genutzt wird. Es müßte dann allerdings das gesamte Kunststoffvolumen in der Vorrichtung von der Feststoffpumpe bis zur Düse 16 auf einen Wert bemessen werden, der bis zum 500fachen Fördervolumen reicht.
• Die Mischwirkung ließe sich noch dadurch verbessern, daß mehrere keilspaltförmige Räume 28 hintereinander am Mischkörper 19 angeordnet werden. Der Mischkörper könnte gegebenenfalls auch schraubenförmige Gänge 34 aufweisen. Es ergibt sich dann außer der Durchmischung in axialer Richtung noch eine solche in Umfangsrichtung, obwohl der Mischkörper nur axial bewegt wird.
• Gegenüber den bekannten Extrudern erbringt die Erfindung - wie Versuche bestätigt haben - eine intensivere Durchmischung auf engstem Raum, was nicht zuletzt auf die räumliche Trennung von Förderung und Mischung zurückzuführen ist. Durch diese Trennung können beide Verfahrensstufen, also das Mischen und das Fördern, getrennt voneinander optimal gestaltet werden.
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Claims (14)

1. Ansprtiche 1.}Verfahren zur Verarbeitung von Kunststoffen durch eine Fördern und uns eine Mischbewegung, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffmasse zum Fördern einer periodischen Strömung durch Anwendung einer Verschiebebewegung und zum Mischen einer periodischen Strömung durch Überlagerung einer Verschiebebewegung und einer Fließbewegung unterworfen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere periodische Strömungen, und zwar phasenverschoben, angewendet werden, wobei diese Strömungen nach der Verfahrensstufe Fördern oder Schmelzen oder Mischen zusammengefaßt werden.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergleichmäßigung des Kunststoffmassenstromes ein Druckspeicher auf diesen Massenstrom zur Einwirkung gebracht wird.
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 unter Heranziehung einer Feststoffpumpe, gekennzeichnet durch eine das Zurückweichen des Fördergutes am Pumpenausgang verhindernde, in Förderrichtung sich konisch erweiternde Wirkfläche (via),
5. 5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher mittels eines rohrförmigen Körpers mit dünnen, federnd elastischen Wänden aus kriechfestem Stahl, bevorzugt aus 13CrMo44 gebildet ist.
6. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckspeicher als Kolbenspei cher (29) mit engem Spalt und Federbelastung ausgebildet ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (30) des Kolbenspeichers (29) drehbeweglich ausgebildet und von einer Drehkraftquelle antreibbar ist.
8. 8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Druckspeichers die Kompressibilität des Kunststoffes als elastischer Speicher genutzt wird, indem das Kunststoffvolumen von der Feststoffpumpe bis zur Düse (16) auf einen Wert bemessen wird, der bis zum 500fachen Fördervolumen reicht.
9. 9. Vorrichtung zum Durchführen des Mischverfahrens bei dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 in einem keilspaltförmigen Raum eines Mischkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß die Keilspaltlänge (1) gleich oder kleiner als der Hub (H) des Mischkörpers (19) ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des Knets unter 75% des Fördervolumens liegt.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (27) des Keilspaltes (28) zur Veränderung des Volumens des Knets änderbar ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch mehrfache Anordnung von Mischkörpern (19).
13. 13. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkörper schraubenförmige Gänge (34) aufweist.
14. 14. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der keilspaltförmige Raum (28) im Hohlzylinder (15) und die stetig verlaufende Gegenwand im Mischkörper (19) vorgesehen ist, indem dieser als Zylinderkolben gestaltet ist.