DE2820329C2 - Extrusionsdüse für schmelzflüssige, thermoplastische Kunststoffe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine F trusionsdüse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.

Gegenstand der Erfindung ist eine Extrusionsdüse für schmelzflüssige, thermoplastische Kunststoffe mit einzelnen oder mehreren, in Reihen angeordneten, verschließbaren Durchfluß-Bohrungen. Diese können unmittelbar an der Produkteintrittsseite einzeln, gesamtheitlich oder gruppenweise - in je nach Formgebung des Ventilkörpers zweckmäßiger Gruppierung verschlossen werden. Dadurch wird es möglich, den gesamten Schmelzestrom unmittelbar vor Austritt aus *5 der Düse verzögerungsfrei zu unterbrechen, oder ihn durch Zu- oder Abschaltung einzelner Bohrungen quantitativ so zu steuern, wie zur Herstellung gleichförmiger Stränge bzw. gleichförmigen Granulats zweckmäßig ist. Ferner wird durch die Möglichkeit zur Öffnung einzelner oder einzelner Gruppen von Bohrungen nacheinander das Anspinnen wesentlich erleichtert.

Durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Fxtrusionsdüse kann bei Granulierung der extrudierten Kunststoffstränge die Durchsatzleistung der nachgeschalteten Schneideinrichtung bei gleicher Baugröße wesentlich gesteigert und darüber hinaus die erforderliche Antriebsleistung reduziert werden.

Bei den bekannten Extrusionssystemen für Chargen- *o betrieb wird der Schmeteefluß gesteuert über ein in die Rohrleitung zwischen Reaktor bzw. Autoklav und Gießkopf eingebautes Absperrventil. Bei diesen Anordnungen ist nachteilig,

63

- daß Freigabe und Unterbrechung des Strangflusses nur mit zeitlicher Verzögerung möglich sind.

- daß bei Unterbrechung des Durchflusses ein

Nachtropfen oder gar Auslaufen des Gießkopfes — dies insbesondere bei Schmelzen relativ niedriger Viskosität — unvermeidbar ist mit allen daraus erwachsenden operativen Schwierigkeiten, wie Materialverklebung und Ankrustung an der Düsenplatte, Fadenbildung als Ursache für Verstopfungen oder Wickelbildungen an den nachfolgenden Granuliermaschinen,

— daß beim Beginn des Austrags wegen verzögerten Druckaufbaus der Durchfluß pro Bohrung zunächst geringer ist als der Abzugsgeschwindigkeit der Stränge entspricht mit der Folge von Strangabrissen und damit zu wiederholenden Startvorgängen,

— daß das nach Beendigung des Gießvorgangs im Gießkopf und in der Schmelzeleitung nach dem Ventil verbleibende Produkt oxidativ und thermisch geschädigt wird, so daß es vor Beginn eines neuen Autoklavenaustrags als Abfall ausgesondert werden muß, was nicht nur Materialverlust bedeutet, sondern auch eine zusätzliche Operation mit entsprechenden Hilfseinrichtungen verlangt,

— daß die Vakuumdichtheit des Ventils nicht gewährleistet ist. so daß bei Polykondensationsreaktionen unter Vakuum eine zusätzliche Abdichtung des Systems — z. B. durch Verschließen der Düsenplatte mit einer angeschraubten Deckleiste — erforderlich wird.

Ähnliche Nachteile sind auch bei Beginn und Ende kontinuierlichen Schmelzetransports mit Hilfe von Austragspumpen oder Extrusionsschnecken in Kauf zu nehmen. Während der Startphase steigt die Förderleistung mit zeitlicher Verzögerung auf den Sollwert an. Dies führt zu häufigen Strangabrissen wegen zu hoher Strangverstreckung, insbesondere bei niedrigviskosen Massen und relativ großen Fallhöhen zwischen Düse und Abzugsorgan, die vielfach aus Abkühlungsgründen erforderlich sind. Wegen der Strangabrisse arbeiten auch automatisch einziehende Granulatoren nicht störungsfrei. Die Produktion voh Abfallmaterial kann dadurch erfahrungsgemäß erheblich sein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorerwähnten Nachteile der bislang bekannten und betriebenen Anlagen zu vermeiden oder sie zu mindern,

— durch verzögerungsfreien Start des Austrags bzw. durch verzögerungsfreie vollständige Unterbrechung des Schmelzflusses.

— durch Öffnung einzelner oder Gruppen von Bohrungen, so daß die Durchflußgeschwindigkeit je freigegebener Bohrung annähernd, auch bei starker Veränderung des Gesamtstroms, konstant bleibt.

— durch nachlauffreies Absperren des Gießers.

— durch vakuumdichtes Verschließen des Gießers.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs genannten Merkmale gelöst. Hierdurch kann der Schmelzefluß unmittelbar am Eintritt einer jeden Düsenbohrung unterbrochen oder freigegeben werden mittels einer Absperrvorrichtung, die selbst trägheitsarm und über kurze Stellwege zu betätigen ist, vorzugsweise durch eine rotierende Bewegung, der zur Erhöhung der Zahl der möglichen Schaltfunktionen eine translatorische Bewegung überlagert sein kann.

Ein dem Durchfluß fluider Medien dienendes Rohrsystem durch einen mit radialen Bohrungen

versehenen zylindriscr.cn 3tab als VeidilkSrper, der in einem entsprechend geformten Gehäuse drehbar gelagert ist, abzusperren, ist beispielsweise in der hydraulischen Steuerungstechnik üblich, kann jedoch in der Verarbeitung viskoser, reaktionsempfindlicher, flössiger Thermoplaste keine Anwendung finden, da Bohrungen i~t Ventilkörper zeitweilig nichidurchfluiiene Hohlräume bilden, in denen das eingelagerte Material seine Eigenschaften verändert Auch ist die große Anzahl der zu verschließenden Bohrungen je Düsenleiste (bis zu mehreren Hundert) mittels eines mit einer entsprechenden Anzahl radialer Bohrungen versehenen Ventilkörpers einer sinnvollen Anwendung entgegenstehend.

Wenngleich Anordnungen solcher Systeme unmittelbar vor den Extrusionsöffnungen einer Strangpresse durch die DE-AS 10 97 660 und die DE-AS 15 29 802 bekanntgeworden sind, vermögen sie nicht als Steuerorgan zur stetigen oder quasistetigen Veränderung eines Massestroms hoch viskoser Flüssigkeiten aus einer großen Anzahl von Düsenbohrungen zu dienen, ohne gleichzeitig den Durchfluß je Bohrung 7« verändern, was zu unerwünscht unterschiedlichen Strangd^;-.ken bei gleicher Abzugsgeschwindigkeit führen muß.

Das in der DE-PS 6 25 473 beschriebene Absperrorgan vermag zwar eine einzelne Düsenbohrung vermittels eines längs einer Zylindermantelfläche geführten Schiebers zu verschließen, nicht jedoch eine Pluralität von Düsenöffnungen in beliebig abgestuften Teilmengen zwischen 0 und 100% aller Bohrungen, wobei — wie vorerwähnt — die Zahl der Düsenbohrungen bei Strang-Extrusionsvorrichtungen für die Granulatherstellung mehrere Hundert betragen kann.

Demgegenüber kann die Austragsdüse gemäß der Erfindung eine einzeln oder in Gruppen progressiv veränderliche Zahl von Düsenbohrungen freigeben bzw. absperren, ohne den Durchfluß durch die einzelnen Bohrungen anders einzustellen, als in den Grundstellungen »Auf« und »Zu« vorgegeben ist.

Hierdurch wird erreicht, daß auch bei einer großen Zahl von Bohrungen in einer Düsenleiste der Gesamtdurchsatz stufenweise ohne Änderung der Durchflußgeschwindigkeit in den freigeschalteten Bohrungen und damit ohne Variation der Strangdicke steuerbar veränderlich ist.

Dies wird dadurch erreicht, daß der zylindrische Stab gemäß der Erfindung nicht radial durchströmt, sondern tangential in durch Ausnehmungen gebildeten Freiräumen umströmt wird.

Die erfindungsgemäßc F.xtrusionsdüse ist im folgenden anhand der Fig. 1- 5 näher erläutert. Gemäß F i g. 1 besteht sie aus einem zylindrischen, in Längsrichtung gekerb' sn Stab (1). der parallel /ur Bohrungsreihe (2) der Düsenplatte (3) in geringstmöglichem Abstand von dieser drehbar angeordnet ist. dessen Mantelfläche

(4) die Düsenbohrungen verschließt bzw.. dessen Kerbe

(5) die Bohrungen freigibt, wenn der Zylinder (1) um seine Längsachse gedreht wird. Dieses in F i g. I dargestellte Ventil hat nur die Funktionen »AUF« und »ZI i« fiir alle Bohrungen einer Reihe.

Die Kerbe (5) kann, um dem Ventil eine andere Steuerfunktion zu geben, in mannigfacher Weise gestaltet werden. Sie kann sich, wie in F i g. 2 dargestellt, stetig oder in Stufen um die Längsachse des Zylinders winden bis zu einem maximalen Verdrehungsbogen von -Tr-D. Ein solcher Ventilkörper verschließt im Drchbercich 0 bis D sämtliche Bohrungen und gibt im Bereich ,Tr bis nr+ D s'nUlichc Bohrungen frei. Im Drehbereich P bis nr gibt er proportional zum Drehwinkel eine wachsende Zahl von Bohrungen frei, bei stufenweiser Verwindung eine jeweils der stufenlän ge entsprechende Bohrungszahl

Die gleiche Funktion bei verbesserter Stellempfindlichkeit erreicht ein Ventilkörper, dessen Kerbe sich in Utntangsrichtung stetig oder in Stufen nach einer Richtung hin erweitert, wie in Fig.3 dargestellt Im Bereich 0 bis D seien alle Bohrungen verschlossen, im

Ό Bereich 2itr- D bis 2λγγ sämtliche Bohrungen geöffnet, während im Bereich D bis 2ztr-D eine wahlweise festzulegende Zahl von Bohrungen, der Abstufung der Kerbe entsprechend, geöffnet ist Diese asymmeirische Kerbe hat den praktischen Vorteil, daß die Bohrungen der Düsenplatte bei Drehung des Ventilkörpers nacheinander geöffnet jedoch alle gleichzeitig verschlossen werden.

Wird die Kerbe, wie in F i g. 4 dargestellt abschnittsweise fortschreitend oder alternierend um ein Bogenmaß ä D versetzt und zwar im Abstand der Düsenteilung oder eines ganzzahl^:-fen Vielfachen hiervon, so können Gruppen von nebei'sinanderliegenden Bohrungen bei Drehung des Ventilkörpers nacheinander geöffnet oder verschlossen werden. Besonders zweckmäßig erweist sich eine Ausführung, bei der j-des zweite loch einer Düsenreihe bei Drehung des Ventilkörpers um ein bestimmtes Winkelmaß, im Beispiel der Fig.4 um 90°, geöffnet wird, während jedes diesem benachbarte Loch geschlossen bleibt und

ir> erst bei weiterer Drehung des Ventilkörpers freigegeben wird. Bei mehreren diskreten Versetzungen der Kerbe in Umfangsrichtung hintereinander kann das Ventil den Durchfluß in mehreren Stufen freigeben, bei η Stufen zunächst jedes «te, dann jedes (n- l)-te Loch

α usw. Die Stufenzahl wird begrenzt durch die Bedingung:

"mm ^

2nr D

Diese Ventilvariante hat für die Praxis des Granulierbetriebs besondere Bedeutung, da sie eine wesentlich engere Düsenteilung zuläßt, als sonst durch die Strarrfaufweitung am Düsenaustritt vorgegeben ist. Engere Düsenteilung ist gleichbedeutend mit einer größeren Zahl von Bohrungen pro Längeneinheit der

·*' Düsenplatte und daher mit höherer Durchsat, leistung einer Granuliermaschine gegebener Arbei'sbreite.

Viskoelastische Medien neigen bei Austritt aus der Düsenbohrung dazu, sich auf größeren Durchmesser auszudehnen, als durch den Bohrungsdurchmesser vorgegeben ist. Sie werden beim Abzug durch Einwirkung äußerer Kräfte zu Strängen geringeren Durchmessers verformt. Die Kopfstücke der sich bildenden Stränge sind daher wegen Fehlens dei äußeren Krafteinwirkung beim Beginn des Ausflusses vielfach um ein Mehrfaches dicker, als durch die Konimuitätsbedingune vorgegeben ist.

Die Strangaufweitung ist dafür verantwortlich, daß die Leistungsaufnahme einer angeschlossenen Zerkleinerungsmaschine beim Anfahren wesentlich größer

"ⁿ ist als beim Dauerbetrieb, da die Zerteilung der anfangs dickeren Stränge größere Schnittkräfte verlangt. Eine stufenweise oder kontinuierliche Erhöhung des Durchsatzes reduziert daher den notwendigen l.eistungsbedarf beim Anfahren und erlaubt mithin, Antriebsmoto-

·"" ren mit geringerer Anschlußleistung vorzusehen, was einer betidclniichen E '.,rrgieersparnis gleichkommt.

Die Strangaufweitung führt häufig dazu, daß die Strangköpfe in geringerem Umfang erkaltet und

TStarrt sind als die ausgezogenen Sirangbereiche, was zum Zusammenpressen benachbarter Stränge an den Abzugsorganen (sog. »Plattenbildung«) und mithin zu Verstopfungen oder gar Zerstörungen an den Zerkleinerungsaggregaten führen kann. Stufenweise > Durchsatzsteigerung kann auch diesen häufig beobachtbaren Betriebsmangel beseitigen.

Für die praktische Anfahrteehnik hat der Einsatz der Düsenventile ferner den Vorteil, daß die Austragsdüse nach Ende der Vorlaufperiode oder nach einem ι» Fehlstart bequem und ohne Gefahr für das Bedienungspersonal gereinigt und präpariert werden kann, weil ein Nachtropfen bei Abschaltung des Durchflusses auf den Inhalt der Düsenbohrungen selbst begrenzt ist. Daß die Bohrungen selbst freitropfen, ist ein erwünschter ι > Nebeneffekt, weil dadurch Verstopfungen durch Abkühlung oder Vercrackung vermieden werden.

Die Düsenventile bewirken bei geeigneter Dimensionierung des Schmelzeraums über der Düsenplatte eine Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung, so -'" daß bei ihrem Einsatz auf den sonst notwendigen Einbau von Verteilerelementen, wie Lochplatten, Siebe oder Stäbe, verzichtet werden kann.

Sie erlauben darüber hinaus den Verzicht auf ein bei Chargenbetrieb in die Schmelzeleitung vor dem Gießer ?> einzubauendes vakuumdichtes Absperrventil. Statt dessen wird i. a. ein einfacher Schieber genügen, der nur zum Düsenwechsel benötigt wird.

Obwohl das Düsenventil nicht durch Anpressung gegen einen Sitz oder durch formschlüssiges Anpressen S" einer flexiblen Buchse vollständig abdichtet, genügt bei den in Rede stehenden hochviskosen Flüssigkeiten ein Verschließen der Bohrungsöffnungen bis auf einen Restspalt im 10- ΙΟΟ-μπι-Bereich, um Ausfließen zu verhindern. Die am Ventilspalt befindliche Schmelze r> dichtet gegen einströmende oder eindiffundierende Gase weitgehend ab.

Wird der Vertilkörper mit einer Zentralbohrung (6) versehen, wie in Fi g. 5 dargestellt, durch die ein Heizoder Kühlmedium geleitet werden oder die eine Heizpatrone zur elektrischen Beheizung aufnehmen kann, so erlaubt der Einsatz eines so modifizierten Düsenabsperrventils die Nutzung weiterer Vorteile, wie

a) Verbesserung der Temperalur-Gleichverteilung im Schmelzeraum des Gießkopfes,

b) Beheizung und Temperaturregelung der Düsenplatle.

c) Aufheizen oder Abkühlen der Schmelze beim Austrag unmittelbar vor der Düse, um damit das Ausfließverhalten zu beeinflussen, unabhängig von der für die chemische Reaktion optimalen Temperaturwahl,

d) Möglichkeit zum Abkühlen oder gar Einfrie-cn der Schmelze im Bereich des Ventilkörpers mit dem Ergebnis eines vakuumdichten Verschlusses,

e) Abkühlung des gesamten Gießkopfes für die Dauer des Reaktionszyklusses einer neuen Charge und anschließendes Wiederaufheizen mit dem Ziel, das im Gießer befindliche Produkt vor thermischer Schädigung zu bewahren.

Zusammenfassend bietet der Einsatz der Extrusionsdüse für den Austrag von Kunststoff-Schmelzen aus Stranggießern folgende Vorteile:

- Erleichterte Inbetriebnahme von Gießer und Abzugssystem und störungsfreiere Handhabung des Granuliersystems.

- gleichbleibende Strangdicke und damit Gleichförmigkeit aus den Strängen geschnittenen Granulats.

- Reduzierung des unvermeidlichen Abfalls,

- Erhöhung der Durchsatzleistung einer gegebenen Schneid- oder Granulieranlage mit verbesserter Ökonomie des Gesamtsystems Reaktor —Gießer-Granulator (verkürzte Zykluszeiten).

- Reduzierung des Energieverbrauchs für den Schneideprozeß,

- Verlängerung der Düsenstandzeiten.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Extrusionsdüse für schmelzflüssige, thermoplastische Kunststoffe mit mindestens einer Düsenbohrung, die mittels eines zylindrischen, um seine Längsachse drehbaren Stabes absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Stab (1) eine in seiner Längsrichtung verlaufende Kerbe (5) in der Mantelfläche aufweist, mittels der ι ο die an sich bekannten Düsenbohrungen in einer oder in mehreren parallelen Reihen einzeln, gesamtheitfich oder gruppenweise absperrbar sind.

Z Extrusionsdüse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerbe (5) eine solche Form ι > aufweist, daß durch schrittweise, gleichsinnige Drehung des Stabes (1) um seine Längsachse jeweils verschiedene Gruppen von Düsenbohrungen absperrbar sind.

3. Extrnsionsdüse gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nebeneinander angeordnete Düsenbohrungen nicht gleichzeitig freigegeben oder abgesperrt werden können.

4. Extrusionsdüse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische 2s Stab (1) außer einer Kerbe (5) noch eint axiale Zentralbohrung (6) aufweist, durch weiche ein Wänuetransportmedium geleitet oder in die eine elektrische Heiz- oder Kühlvorrichtung eingesetzt werden kann. Ji)