DE2848273A1

DE2848273A1 - Maschine und verfahren zur bearbeitung von viskosem kunststoff und polymeren

Info

Publication number: DE2848273A1
Application number: DE19782848273
Authority: DE
Inventors: Peter Hold; Zehev Tadmor
Original assignee: USM Corp
Current assignee: Farrel Corp
Priority date: 1977-11-07
Filing date: 1978-11-07
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DE2848273C2; JPS6245044B2; FR2407804A1; IN151081B; IT1160048B; MX147462A; AU528032B2; NL188333B; ES475170A1; AU4137178A; SE7811440L; SE430314B; JPS5474858A; DD139410A5; GB2007585B; GB2007585A; BE871805A; IT7829490A0; NL188333C; FR2407804B1

Description

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE München, 7.November 197P

DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS 28^8273

PATENTANWÄLTE

S/la

Aktenzeichen: Unser Zeichen: P 2782

Anmelder: _USM corporation

Farmington, Connecticut Zustelladresse: 181 Elliott Street

Beverly, Mass. o1915 U.S.A.

Maschine und Verfahren zur Bearbeitung von viskosem Kunststoff und Polymeren.

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Kanzlei: Herrnstraße 15, München

Die Erfindung betrifft eine Maschine und ein Verfahren zur Bearbeitung von viskosem Kunststoff und von viskosen Polymeren. In der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 27 32 173.9 vom 15.7.1977, Anmelder: Zehev Tadmor, der einer der Erfinder der vorliegenden Patentanmeldung ist, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bearbeitung von festem und viskosem Kunststoff und polymerem Material beschrieben, bei dem das Material in einen geschlossenen Durchgang eingeführt wird, der durch

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einen ringförmigen Kanal gebildet wird, welcher zur Drehung in enger Anlage mit einem Gehäuse angebracht ist, das zusammen mit dem Kanal einen eingeschlossenen Durchlaß bildet und bei dem ein Kanalblock im Kanal angeordnet ist, um Material im Kanal zur Bewegung relativ zur Kanalfläche zur Verarbeitung zu halten. Das Verfahren und die Vorrichtung werden als nützlich zur Förderung von Feststoffen, zum Schmelzen oder Plastifizieren von Kunststoff- oder polymerem Material, zum Fördern, Pumpen und Unter-Druck-Setzen von viskosen Flüssigkeiten, zum Mischen, Vermischen, Dispergieren und Homogenisieren von Material sowie zum Entfernen von flüchtigen Bestandteilen und zur Hervorbringung von molekularen, mikroskopischen oder makroskopischen Strukturänderungen durch chemische Reaktionen, wie z.B. Polymerisierung, beschrieben.

Beim Verfahren und bei der Vorrichtung gemäß der genannten Patentanmeldung stellt man die Entfernung flüchtiger Bestandteile dadurch sicher, daß man einen Damm in den Kanal hineinragen läßt, der einen von Material leeren Raum auf seiner Vorderseite, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Kanals,erzeugt, und eine Öffnung durch das Gehäuse in einer Stellung vorsieht, in der Material, das sich aus dem flüchtigen oder polymeren Material, welches im Kanal bearbeitet wird, verflüchtigt hat, aufgenommen und abgeleitet werden kann.

Eine gewisse Entfernung des verflüchtigten Materials kann durch das Verfahren und unter Verwendung des in der genannten Anmeldung offenbarten drehbaren Verarbeitungselement sichergestellt werden; jedoch ist die Oberfläche, die den Leerraum umgibt, klein, so daß die Wirksamkeit der Entfernung flüchtiger Bestandteile gering ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine

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Vorrichtung mit einem sich drehenden Bearbeitungskanal und ein Verfahren zur Anordnung von viskosen Kunststoff- oder polymerem Material mit einem großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen in einem geschlossenen Durchgang _zu schaffen, ^um einen wirksamen Materialtransport aus dem Kunststoff- oder polymerein Material und in dieses hinein zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung flüchtiger Bestandteile oder für eine andere Material-Übertragungsbehandlung von viskosem Kunststoff und Polymeren gelöst, bei der das Material in Form dünner Schichten auf zwei sich gleichzeitig bewegende gegenüberliegende Wände eines Kanals gestrichten und ausgebreitet wird, wobei sich freie Räume zwischen den Materialflächen zum Durchgang von Gasen, Dämpfen oder anderen Materialien aus dem Material an den Wänden oder in das Material an den Wänden über die Grenz-fläche zwischen den Schichten des Materials und den freien Raum befinden. Die sich bewegenden Wände schleppen Material von einem Einlaß nach einem Aufstreich- oder Zerteilkörper, um die Schichten zu bilden und die Schicht zur Sammlung als eine angestaute Masse zu befördern und sie durch einen Auslaß aus dem Kanal abzulassen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sowie c^ie Vorrichtung zu seiner Durchführung wird der einzigartig? Vorteil erhalten, daß plastisches oder polymeres Material dadurch bearbeitet wird, daß ein Körper des Materials durch einen Einlaß in den Raum zwischen zwei gegenüberliegenden Wänden, die einen Teil eines geschlossenen Durchgangs bilden, zugeführt wird, das Material in dünner Schicht auf die Oberflächen aufgestrichen wird, wobei mittlere Bereiche des Raums zwischen

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den Schichten freigehalten werden, so daß ein großen Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für einen wirksamen Materialübergang zwischen dem plastischen oder polymeren Material und dem freien mittleren Raum zwischen den Schichten an den Kanalwänden sichergestellt ist, wobei der freie mittlere Raum zwischen den Schichten auf den Kanalwänden zur Aufnahme oder zur Abgabe von gasförmigen oder flüchtigen Bestandteilen aus den Schichten oder in die Schichten hinein oder zur Einführung von festem oder flüssigem Material in die Schichten zur Verfügung steht. Durch gleichzeitige Bewegung beider Oberflächen in einer Richtung wird das Material im Kanal in Richtung auf den Auslaß gefördert und wird in einer Stauansammlung gegen einen Endblock zur Abgabe durch einen Auslaß aus dem Kanal gesammelt.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der Figuren näher erläutert, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine darstellen:

Figur 1 ist ein Querschnitt durch eine Bearbeitungsmaschine gemäß der Erfindung entlang Linie I-I in Figur 2 parallel zur Drehachse des Rotors der Bearbeitungsmaschine;

Figur 2 ist eine Endansicht der Bearbeitungsmaschine gemäß Figur 1 im Querschnitt entlang Linie II-II der Figur senkrecht zur Drehachse des Rotors;

Figur 3 ist ein geebneter Querschnitt durch einen Kanal des Rotors entlang eines gewählten Radius, der die Bewegung des Materials im Kanal darstellt,

Figur 4 ist ein Teilquerschnitt entlang Linie IV-IV in Figur in Pfeilrichtung, der das Verhältnis von Aufstreichkörper zu den Kanalwänden zeigt;

Figur 5 ist ein geebneter Querschnitt durch eine Seite eines

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Kanals entlang eines ausgewählten Radius und zeigt die Wirkung eines Mischelements auf die Materialschicht, die auf einer Kanalwand getragen wird, und Figur 6 ist ein schematischer Querschnitt, der die Winkelverteilung der Elemente der Bearbeitungsmaschine darstellt.

Ein erfindungsgemäßer Apparat kann gemäß den Figuren 1 und 2 einen Rotor 1o enthalten, der auf einer Antriebswelle 12 zur Drehung innerhalb eines Gehäuses 14 angebracht ist, wobei die Welle 12 in Endplatten 16 des Gehäuses 14 gelagert ist. Der Rotor 1o ist mit ringförmigen, z.B. zylindrischen Oberflächenbereichen 18 und mit wenigstens einem ringförmigen Kanal 2o konstruiert, der mit sich im Abstand zueinander befindlichen gegenüberliegenden Seitenwänden 22 gebildet ist, die mit einem ringförmigen Oberflächenbereich 18 an jeder Seite des Kanals angeordnet sind. Vorzugsweise besitzt der Kanal einen keilförmigen Querschnitt mit außen gelegener größter Breite, um so eine leichte Materialzuführung, eine einheitliche Bearbeitung und die Zusammenwirkung mit einem keilförmigen Aufstreich- oder Zerteilkörper zu ermöglichen. Das Gehäuse 14 v/eist eine ringförmige, vorzugsweise zylindrische Oberfläche 24 auf, die koaxial mit den ringförmigen Oberflächenbereichen 18 des Rotors ist und in enger Beziehung dazu steht, um mit dem Kanal oder den Kanälen 2o einen oder mehrere geschlossene ringlörmige Durchgänge zu bilden.

Eine Einlaßöffnung 26 durch das Gehäuse 14 ist zur Einführung von plastischem oder polymerem Material zur Bearbeitung aus einer geeigneten Zuführvorrichtung in den oder die ringförmigen Kanäle 2o vorgesehen. Es versteht sich, daß geeignete Zuführvorrichtungen für Kunststoffe oder Polymere verwendet werden, die z.B. ein Schneckenfüller, eine Kolbenbeschickungsvorrichtung, exn Scheibenfüller mit Vorerwärmung usw. in Abhängigkeit von

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der Art des Kunststoff oder polymeren Materials und der Schwierigkeit, seine Zufuhr zu dem Kanal 2o zu steuern, sein können.

Wie deutlicher in Figur 1 gezeigt wird, ist die innere Oberfläche 24 des Gehäuses 14 über ihren größten Teil hin zylindrisch, weist jedoch eine Unterschneidung 28 benachbart zur Materialeinlaßöffnung 26 in dem Kanal 2o auf. Diese Unterschneidung 28 weist eine solche Breite auf, daß ihre Wände 3o sich über die zylindrischen Bereiche 18 des Rotors 1o hinaus erstrecken und eine Aufnahmekammer 32 bilden, so daß, wenn viskoses flüssiges Material durch die Einlaßöffnung 26 zugeführt wird, das viskose flüssige Material von der zylindrischen Fläche 18 des Rotors nach dem Spalt hin mitgerissen wird, wo die Fläche der Wände 3o der Unterschneidung 28 die zylindrische Fläche 18 des Rotors erreicht. Durch diese Wirkung wird das Pressen des viskosen Materials in den Kanal 2o erleichtert.

Ein Aufstreich- oder Zerteilkörper 34 (vgl. Figuren 1, 3 und 4), der als keilförmiger Block komplementär zum keilförmigen Querschnitt des Kanals dargestellt ist und sich durch das Gehäuse 14 in den Kanal 2o erstreckt, ist einwärts.und auswärts beweglich, um den Abstand zwischen den Seiten 36 des Aufstreich- oder Zerteilblocks 34 und den Kanalwänden 22 variieren zu können. In der dargestellten Form erstreckt sich der £ufstreich- oder Zerteilkörper 34 nach dem Einlaß hin, um eine abgerundete, radial angeordnete Kante 38 und Seitenflächen 4o zu erzeugen, die von äer Kante 38 nach den Seiten 36 auseinanderlaufen, um das Material, das bearbeitet wird, auf die beiden Seitenwände 22 des Kanals 2o zu verteilen. Es versteht sich, daß andere Konstruktionen des Aufstreich- oder Zerteilkörpers, mit denen der Abstand zu den Seitenwänden 22 abgeändert werden kann, verwendet werden können. Dieser Aufstreich- oder Zerteilkörper ist vorzugsweise so dicht am Einlaß 26 angeordnet, daß sich

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durch die Wirkung auf die Seitenwände 22 ein Druck entwickeln kann, der das viskose Material in genügend hohem Ausmaße mitschleppt, um das Material durch den Spalt oder den Abstand zwischen den Seiten 36 des Zerteilkörpers 34 und den Kanalwänden 22 hindurch zu pressen, um es in Form dünner Schichten 42 zu zerteilen, die auf diesen Wänden vorwärts getragen werden. Mittlere Bereiche 44 des Kanals 2o vor dem Zerteilkörper 34, in Drehrichtung des Rotorkanals 2o gesehen, werden durch den Zerteilkörper 34 von Kunststoff oder polymerem Material freigehalten, so daß die dünnen Schichten 42 freie Flächen haben, die zum Transport von Substanzen zwischen dem Raum 44 und den Schichten 42 frei dem freien mittleren Raum 44 ausgesezt sind. Z.B. können flüchtige Bestandteile in dem plastischen oder polymerem Material in den freien Raum eintreten und durch eine Auslaßöffnung 46 aus dem Kanal, gegebenenfalls mit Hilfe von Vakuum abgezogen werden, um eine Entfernung der flüchtigen Bestandteile durchzuführen. Wegen des hohen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen und der kurzen Entfernung, die das Material sich durch die Schichten 42 hindurchbewegen muß, um die freien Oberflächen zu erreichen, ist die Transportwirkung, wie z.B. die Entfernung flüchtigen Materials, sehr wirksam.

Das Mischen des Materials der Schichten 42 auf den Kanalwänden, um die Entfernung flüchtiger Bestandteile oder einen anderen Materialtransport zwischen dem mittleren freien Raum 44 und dem Material der Schichten 42 zu unterstützen, kann dadurch erfolgen, daß man Mischelemente 48 (vgl. Figur 5) anbringt, die die Schichten 42, welche von den Kanalwänden 42 gefördert werden, ergreifen. Das in Figur 5 dargestellte Mischelement 48 ist ein stabförmiges oder messerförmiges Streichgerät, das parallel zu den Kanalwänden 22 und in einem etwas geringeren Abstand als der Dicke der Schichten 42 angeordnet ist und wirksam einen Stauhaufen 5o des Materials der Schicht vor sich sammelt,

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um so eine Vermischung in dem Stauhaufen 5o zu bewirken und das Material vom Stauhaufen 5o als Schicht 52 auf die Oberfläche der Kanalwände 22, die sich an ihm vorbeibewegen, aufzustreichen. Natürlich können auch andere Mischvorrichtungen, wie z.B. Stifte, Stangen usw., verwendet werden.

Es kann auch eine Einlaßöffnung 54 zur Einführung von Material in den freien Raum 44 zwischen den Schichten 42 aus Kunststoff oder polymerem Material an den Wänden 22 des Kanals vorgesehen sein. Als Material, das durch diese Einlaßöffnung 54 eingeführt wird, kann ein Gas, das eine verbesserte Fluß- und Spülwirkung bezüglich der Materialschichten erzeugt, um Gase oder Dämpfe, die von der Oberfläche abgegeben werden, zu entfernen, oder ein Reaktionsmittel, das sich mit dem Material der Schichten verbindet, oder ein Verstärkungsmaterial, wie z.B. Glasperlen oder verstärkende Fasern oder andere Festkörper zur Einlagerung in den Kunststoff oder das polymere Material ' verwendet werden.

Der an dem Gehäuse 14 angebrachte Kanalblock 56 erstreckt sich in einer umfänglichen Lage, die wenigstens den größeren Teil einer vollständigen Umdrehung des Rotors 1o vom Einlaß 26 entfernt ist, in den Kanal 2o, um demringförmigen Kanal 2o eine Endwand 58 zu geben und Kratzer- oder Schaberteile 6o in enger Beziehung zu den Wänden 22 des Kanals zu erzeugen. Der Kanalblock 56 weist eine Form auf, die komplementär zum Kanal 2o, in den er sich erstreckt, ist und eng in ihn hineinpaßt und die Endwand 58, die nach dem ringförmigen Kanal 2o gerichtet ist, kann leicht verschoben oder in einen anderen geeigneten Winkel gebracht werden, was von dem Material und der gewünschten Behandlung abhängt. Benachbart zum Kanalblock in Strömungsrichtung oberhalb, d.h. entgegen der Bewegungsrichtung des Kanals, ist eine Auslaßöffnung 62 durch das Gehäuse 14 vorgesehen.

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Der Kanalblock 58 kratzt das viskose, flüssige Material, das durch die Seitenwände 22 des Kanals 2o vorwärts getragen wird, ab und sammelt es; dieses Material sammelt sich als angestaute Masse 64 an der Endwand 58 des Kanalblocks und wird aus dem Kanal 2o durch den Druck,der sich in der angestauten Masse aufgebaut hat, abgegeben. Wie in Figur 3 dargestellt, wird die Größe der angestauten Masse 64 gesteuert, um den größeren Teil des Mittelraums 44 des Kanals zum Materialtransport nach den Schichten 42 an den Kanalwänden 22 und von ihnen weg frei zu lassen. Die Größe der angestauten Masse 64 wird durch Steuerung der Rate, mit welcher das Material am Zerteilkörper 34 in Form von Filmen oder Schichten 42 an den Kanalwänden 22 vorbeigelangt, in bezug auf die Entladungsrate des Materials aus der Auslaßöffnung 62 gesteuert, wobei den Grundsätzen gefolgt wird, die in der obengenannten deutschen Patentanmeldung beschrieben wurden. Im allgemeinen wird die angestaute Masse 64 auf einer Größe gehalten, die dicht am benötigten Minimum liegt, um genug Druck für die Pumpwirkung der Kanalwände 22 auf das Material der Stauansammlung 64 zu erzeugen, um die Entladung des Materials aus der Auslaßöffnung 62 durchzuführen.

Wie näher in der obengenannten deutschen Patentanmeldung diskutiert wird, wird die Beziehung zwischen der Zugabe- und Austragungsrate von flüssigen viskosen Kunststoffen und Polymerisaten nach einem ringförmigen Bearbeitungskanal hin und der Geschwindigkeit der Kanalwände in bezug auf die Eigenschaften des gewählten Materials, die Temperatur und die Geometrie des Kanals bei Annahme eines isothermischen, laminaren, stetigen, voll entwickelten Stroms einer nicht komprimierbaren, dem Potenzgesetz.modell gehorchenden nicht-Newtonschen Flüssigkeit unter Vernachlässigung der

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-41--

-yr-

Gravitations- und Trägheitskräfte (Zentrifugalkräfte) durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

In der Gleichung bedeuten:

3 3

Q = volumetrische Flußrate (in /s) = (16,39 cm /s), N = Frequenz der Kanalumdrehung (Ups), R, = Außenradius des ringförmigen Kanals (in) =2,54 cm), R = Innenradius des ringförmigen Kanals (in) = 2,54 cm), oc ⁼ V^Hd

H = Breite des ringförmigen Kanals

2
P = Druck (psi) = o,o7 kp/cm

Θ = Winkel (Bogeneinheiten)

dp P -P .

— = —^iS— = _auf d_en winkel bezogener Druckgradient

^d® ² * (psi/rad.) = o,o7 kp/cm²/rad),

P = Auslaßdruck ((psi) = o,o7 kp/cm ) aus

2 P . = Einlaßdruck ((psi) = o,o7 kp /cm )

X = Umfangsbruchteil von Einlaß zu Auslaß

s = 1/n empirischer Parameter für die den "Potenzgesetz" gehorchender Modellflüssigkeit:

>! - - Ύ ⁿ~¹

= nicht-Newton sehe Viskosität (lb_f S¹¹An ) =o, 454fcg_>s ⁿ/₆ _f 45_cm ²)

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m = empirischer Parameter (lb_fsⁿ/in ) = o,454 kg.sy6,45 cm ) η = empirischer Parameter,
' = Scherrate, (1/s).

In der oben angeführten Gleichung bedeutet das erste Glied auf der rechten Seite den "Mitschleppstrom" oder das Mitschleppfließen und das zweite Glied den "Druckstrom" oder das Druckfließen. Diese Gleichung läßt sich auch für Newtonsche Flüssigkeiten anwenden, in denen s=n=1 und ΐη=μ die Newtonsche Viskosität ist.

Die Verfahrensbedingungen und die physikalische Einrichtung für eine erfindungsgemäße Maschine zur Behandlung von viskosem_t plastischem Material bei einer gegebenen Rate mit Entwicklung des gewünschten Drucks an der Auslaßöffnung werden dadurch bestimmt, daß man zuerst für jede einzelne einer Serie von Scheibengeschwindigkeiten N den Abstand der Seiten des Aufstreich- oder Zerteilkörpers 3 4 von den Kanalwänden für jede Geschwindigkeit, die benötigt wird, um einen Film oder eine Schicht mit einer Dicke zu bilden, die das viskose Material in der gewünschten Rate anliefert, berechnet. Ein bevorzugter Dickenbereich für die Filme oder Schichten auf den Kanalwänden liegt zwischen o,o254 und 2,54 mm (o,oo1 bis o_f1oo Zoll). Diese Dicke errechnet sich aus der Gleichung:

wobei Q die volumetrische Flußrate (in /s = 16,39 cm /s), D der Außendurchmesser des ringförmigen Kanals (in, = 2,54 cm),

α das Verhältnis Rg/R^ des Innenradius des ringförmigen Kanals Rg (in, = 2,54 cm) zum Außenradius der-i ringförmigen Kanals R, (in, =2,54 cm) δ die Filmdicke (in =2,54 cm) , N die Frequenz der Kanalumdrehuiig (üps) bedeuten.

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-49-

- vef-

Aus der Berechnung von Kombination und von N und * , die wirksam Material in einer gewünschten Rate und einem gewünschten Druck zum Aufstreichen auf die Kanalwände durch den Aufstreich- oder Zerteilkörper liefern, wird die Bestimmung des Winkelmaßes Θ der geschmolzenen aufgestauten Masse 64 für den gewünschten Ausgabedruck bei jedem Wert von N aus der Gleichung der obengenannten deutschen Patentanmeldung bestimmt. Gewöhnlich wird eine Kombination der Filmdicke δ und der Kanalrotor-Geschwindigkeit N so gewählt, daß ein größerer Teil des Kanals zwischen dem Aufstreich- oder Zerteilkörper und der Vorderseite der angestauten geschmolzenen Masse für die beste Materialübtragung zwischen dem Freiraum in den Kanal und dem Film oder der Schicht des Materials an den Kanalwänden freigehalten wird.

Zu dem Material, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der Vorrichtung zu seiner Durchführung bearbeitet werden kann, gehören alle plastischen und alle polymeren Materialien, die gewöhnlich flüssig sind oder durch Wärme oder mechanische Energie oder durch ein Verdünnungsmittel in den viskos-flüssigen Zustand zur Bearbeitung überführt werden können und die genügend stabil sind, um ernsthaften Abbau unter den Behandlungsbedingungen zu vermeiden. Eine nicht einschränkende Aufzählung solcher Materialien sind z.B. thermoplastisches wärmehärtende und elastomere Polymere,

wie z.B. Polyolefine (z.B. Polyäthylene, Polypropylene), 'Vinylchlorid Polymerisate (z.B. Polyvinylchlorid), Fluor enthaltende Polymere, Polymere auf Basis von Polyvinylacetat, Polymere auf Acrylbasis, Polymere auf Styrolbasis (z.B. Polystyrol), Polyamide (z.B. die verschiedenen Nylonarten),

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- ιχ-

Polyacetale, Polykarbonate, auf Zellulose basierende Plasten, Polyäther, Polyurethane, Phenol enthaltende Plasten, Aminoplasten, Harze auf Epoxidbasis, Silikone und anorganische Polymere, Polymere auf Basis von Polysulfon, Polymere auf Basis verschiedener natürlicher Stoffe usw. zusammen mit Kopclymerisaten und Mischungen dieser Materialien miteinander oder mit Lösungsmitteln oder Verdünnungsmitteln oder mit verschiedenen festen und flüssigen Zusätzen. Ebenso wird erwogen,daß chemisch reaktive Materialien, wie z.B. Materialien oder Materialgemische, die Polymere bilden, welche viskose Flüssigkeiten auf einer gewissen Stufe ihrer Bildung und bei den Temperaturen, die in dem Kanal oder den Kanälen aufrecht erhalten wird, sind, zur Reaktion und Bearbeitung in dem Kanal oder den Kanälen der Maschine zugeführt werden können.

Die Temperatur des zugeführten Materials und die Temperatur während der Bearbeitung in der Maschine werden so gesteuert, daß Viskositäten und Strömungseigenschaften des zu bearbeitenden Materials bestimmbar sind.

Das folgende Beispiel wird zur Verdeutlichung der Erfindung gegeben.

Beispiel

Ein in Figur 1 dargestelltes Bearbeitungsgerät wird mit den Bestandteilen der in Figur 6 dargestellten Winkelbeziehung, d.h. mit der Einlaßöffnung 26, die sich 5o° in Drehrichtung des Rotorkanals erstreckt, dem Auf streich- oder Zerteilkörper 34, der mit seiner Vorderseite in 1o° Abstand in Drehrichtung von der Kante der Einlaßöffnung 26 liegt, der AuslaPöffnung 62, die 35 vor dem Kanalendblock 56 bedeckt, und dem Endblock 56, der 2o bedeckt, aufgebaut. Der Rotor 1o besitzt einen Außendurchmesser R, von 19o,5 mm (7,5 Zoll), und einen

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Innendurchmesser R von 95,25 mm (3,75 Zoll). Der Kanal

2o besitzt keilförmigen Querschnitt sowie eine Kanalspaltenbreite von 12,7 mm (o,5 Zoll). Der Einlaß 26

des Gehäuses des Verarbeitungsapparats ist mit einer Leitung verbunden und nimmt geschmolzenes Polyäthylen niedriger Dichte bei einer Temperatur von 2o4,4 C (4oo° F) und mit einer Rate von 113,4 kg/h (25o lbs/h), auf. Es ist notwendig, daß der Verarbeitungsapparat das Polyäthylen nach Entfernung der flüchtigen Bestandteile mit

einem Druck von 1o,5 kg/cm (15o psi) abgibt. Eine Auslaßöffnung 46, die ungefähr auf halber Länge des Kanals angeordnet ist, ist zur Abgabe von flüchtigem Material aus dem freien Raum in den Kanal vorgesehen. Der Aufstreich- oder Zerteilkörper 34 ist komplementär zum Querschnitt des Kanals 2o keilförmig ausgebildet und ist nach innen und außen einstellbar, um den Raum zwischen seinen Seiten 36 und den Wänden 22 des Kanals 2o zu steuern. Drei getrennte Versuchsläufe werden durchgeführt, wobei der Aufstreich- oder Zerteilkörper 34 von den Kanalwänden einen Abstand von 1,27, 2,54 bzw. 3,175 mm (o,o5, o,1oo bzw. o,125 Zoll) aufweist, um drei verschiedene Filmdicken von Polyäthylen an den Kanalwänden zu erhalten. Für die Berechnung der Kanal-Rotor-Geschwindigkeit N wird für Polyäthylen die Dichte-

3
zahl o,8o1 g/ cm (5o lbs/Kubikfuß) verwendet und die Viskosität des geschmolzenen Polyäthylens wird aus der folgenden Gleichung errechnet:

η = m γη

wobei m - 1 Ib.sec ^O'^^ir? =o,454kg.s°'^5/6'^45Cm3 _und η = ο,5.

Aus der so bestimmten Geschwindigkeit des Kanalrotors wird das Winkelmaß Θ der geschmolzenen angestauten Masse, die

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2 benötigt wird, um den gewünschten Entladedruck (1o,5 kg/cm

15o psi) zu erreichen, durch Einsetzen der erhaltenen Werte in die Gleichung, die in der obengenannten deutschen Patentanmeldung gegeben wird, berechnet.

Dabei werden die folgenden Ergebnisse erhalten:

	δ	μ	5	(kg/cm	Pi	(Psi)	0
mm	(in)	upm	3	,95	³)	85	(Grad)
1,	27 o,o5o	38	2	,15		45	23
2,	54 o,1oo	19		,1o		3o	5o
3,	175 o,125	15		74

Der Abstandswert ö des Aufstreich- oder Zerteilkörpers von 1,27 mm (o,o5 Zoll) machte nur einen Winkel Θ für die aufgeschmolzene Stauansammlung von 23° notwendig, so daß ein größerer Teil des Kanals 2o vor dem Aufstreich- oder Zerteilkörper 34 bis auf den Film oder die Materialschicht 42, die auf den Wänden 22 zur Entfernung flüchtiger Bestandteile getragen wurde,.frei von geschmolzenem Material war, während die Länge der StauanSammlung so war, daß ein Entladedruck von etwa

2
1o,5 kg/cm (15o psi) erhalten wurde.

Zusammenfassend wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten von viskosem,plastischem Material oder polymerem Material und ähnlichem beschrieben, um Materialien zu entfernen oder zuzusetzen, bei dem ein Kunststoff oder ein Polymer durch einen Einlaß in einen geschlossenen Durchgang eingegeben wird, dessen gegenüberliegende Seitenwände sich gleichzeitig in Richtung auf einen Auslaß bewegen und das Material wird als

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dünne Schicht auf die sich bewegenden Seitenwände gestrichen, wodurch zentrale freie Räume zwischen den Wänden für die Entfernung von flüchtigem Material oder einen anderen Materialtransport über die Grenzfläche zwischen dem Material an den Wänden und dem freien Raum verbleiben. Das behandelte Material wird vorwärts getragen und in einer Stauansammlung gegen einen Kanalblock gesammelt, wo sich ein Druck zum Entladen des bearbeiteten Materials durch den Auslaß aus dem eingeschlossenen Durchgang aufbaut. Ein rotierender Apparat, der zur Durchführung des Verfahrens verwendet werden kann, weist einen oder mehrere ringförmige Kanäle mit gegenüberliegenden Seitenwänden auf, die von einem Rotor-angetriebenen Teil zur Relativbewegung gegenüber einem Gehäuse mitgenommen werden; eine ringförmige Oberfläche des Gehäuses, die ko-axial zum Rotor liegt, arbeitet mit den Wänden des Kanals oder der Kanäle zusammen, um einen oder mehrere geschlossene ringförmige Durchgänge zu bilden. Ein Einlaß zur Zuführung des Kunststoffs oder Polymers in jeden ringförmigen Durchgang erstreckt sich durch das Gehäuse und ein Auslaß zur Abführung des Materials aus jedem Durchgang ist kreisumfänglich einen größeren Teil einer vollständigen Umdrehung vom Einlaß entfernt angeordnet. Ein Aufstreich- oder Zerteilkörper im Kanal, der wenigstens einen größeren Bereich des kreisumfänglichen Abstands vom Auslaß angeordnet ist, ist zum Aufstreichen des Materials als dünne Schicht auf die Kanalwände und zum Zurückhalten des Materials vorgesehen, so daß der zentrale Raum zwischen den Wänden ungefüllt bleibt und eine oder mehrere Öffnungen, die mit dem freien Raum in Verbindung stehen, sind zum Abziehen oder Einführen von Material aus dem freien Raum oder in ihn hinein vorgesehen. Ein zwischen dem Auslaß und dem Einlaß für jeden ringförmigen Durchgang angeordneter Kanalblock wird von dem Gehäuse getragen und ragt in jeden Kanal hinein, um Material von den Seitenwänden, das sich an ihm vorbeibewegt, abzuwischen oder abzuschaben und eine

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Ansammlung von Material zu bilden, in der sich der Entladedruck aufbaut.

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e e r s e ι

Claims

DIPL-INCHEINZBARDEHLE München, '} J-J .;.. '

DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS

PATENTANWÄLTE . S/la

Aktenzeichen: Unser Zeichen: 0700

Anmelder: οSM Corporation

Patentansprüche

(1.\ Maschine zur Bearbeitung von viskosem Kunststoff und ^ Polymeren mit

A. einem ringförmigen Kanal, der gegenüberliegende Seitenwände besitzt,

B. einem koaxialen ringförmigen Oberflächenteil, das mit dem Kanal einen geschlossenen ringförmigen Durchgang bildet,

C. einer Einlaßöffnung zur Zuführung von viskosem polymerem oder plastischem Material nach dem Durchgang,

D. einer Vorrichtung, die eine relative Drehung zwischen dem Kanal und dem Oberflächenteil um ihre gemeinsame Achse bewirkt, um die Seitenwände in kreisumfänglicher Richtung von der Einlaßöffnung des Durchgangs zu bewegen ,

E. einer Auslaßöffnung aus dem Durchgang, die umfänglich einen größeren Teil einer vollständigen Umdrehung von der Einlaßöffnung in Drehrichtung des Kanals angeordnet ist, und

F. einem Blockteil, das eine Endwand und Schaber- oder Kratzerbereiche aufweist, welches in den Durchgang zwischen der Auslaßöffnung und der Einlaßöffnung in Drehrichtung des Kanals angeordnet ist, wobei die Endwand so gebaut ist, daß sie Material im Kanal für eine relative Bewegung zwischen den gegenüberliegenden Seitenwänden und dem Material in dem Kanal zurückhält, wobei die Seitenwände das Material in Kontakt mit den Wänden gegen das Blockteil im Kanal zum Bearbeiten und Entladen mitreißen,

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Kanzlei: Herrnstraße 15, München 23

ORIGINAL INSPECTEDr

dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufstreich- oder Verteilkörper (34) im Kanal (2o) einen größeren Teil des kreisumfänglichen Abstands zwischen der Einlaßöffnung (26) und der Auslaßöffnung (62) in Drehrichtung des Kanals (2o) von der Auslaßöffnung (62) entfernt ist und einen Wandbereich (38) und Seitenbereiche (4o) aufweist, wobei der Wandbereich (38) so angeordnet ist, daß er einen größeren Teil des Kanals (2o) versperrt, um viskoses Material zwischen der Einlaßöffnung (26) und dem Aufstreich- oder Verteilkörper (34)_zu sammeln, um es in Anlage an die Kanalseitenwände (22) zu bringen, damit es in Vorwärtsrichtung mitgerissen wird und einen Flüssigkeitsdruck benachbart zum Aufstreich- oder Verteilkörper (34) bildet und die Seitenteile (4o) gegenüber den Kanalseitenwänden (22) in einem bestimmten Abstand sind, der so gewählt wird, daß die Rate, mit der das viskose Material an dem Aufstreich- oder Verteilerkörper (34) unter der Wirkung des Flüssigkeitsdrucks und der Mitreißwirkung der Kanalseitenwände (22) vorbeigelangt /,um an den Seitenwänden (22) dünne Schichten (42) von viskosem Material zu bilden und mittlere Raumbereiche (44) des Kanals (2o) frei von viskosem Material in den Teilen vor dem Aufstreichoder Verteilkörper (34) in Bewegungsrichtung des Kanals (2o) zu halten, und wenigstens eine Öffnung (46; 54) nach dem freien Mittelraum (44) des Kanals (2o) zum Durchgang von Material in den Raum (44) und aus ihm heraus vorgesehen ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufstreich- oder Verteilkörper (34) von der Einlaßöffnung (26) eine solche Strecke entfernt ist, die ermöglicht, daß die Fläche der Kanalseitenwand durch Mitreißwirkung einen Druck gegen den Aufstreich- oder Verteilkörper (34)

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entwickelt, um das viskose Material über die Fläche (22) der Kanalwand zu streichen und es in Form einer dünnen Schicht (42) auf den Kanalwänden (22) durch den Raum zwischen den Seitenwänden (4o) des Aufstreich- oder Verteilkörpers (34) und den Wänden (22) hindurch zu lassen.
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Ausführung einer relativen Drehung zwischen dem Kanal (2o) und dem Oberflächenteil (14) einstellbar ist, um die Geschwindigkeit des Kanals (2o) zu steuern, und der Aufstreich- oder Verteilkörper (34) einstellbar ipt, um den Raum zwischen den Seitenteilen (4o) und den Kanalwänden (22) verändern zu können, um die Dicke der Schichten (42) aus viskosem Material, die auf den Seitenwänden (22) gebildet werden, zu vergrößern oder zu verringern.
4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal (2o) einen im wesentlichen keilförmigen Querschnitt besitzt, der Aufstreich- oder Verteilkörper (34) einen im wesentlichen komplementären keilförmigen Querschnitt aufweist und der Aufstreich- oder Verteilkörper (34) in den Kanal (2o) hinein und aus ihm heraus bewegbar ist, um den Abstand der Seitenteile (4o) in bezug auf die Seitenwände (22) des Kanals abändern zu können.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zur Steuerung der Entladungsrate des Materials aus der Auslaßöffnung.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Mischer (48), der auf die Schichten (42) des

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viskosem Materials an den Kanalseitenwänden (22) an einer Stelle zwischen dem Aufstreich- oder Verteilkörper (34) und dem Blockteil (56) einwirkt.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischer (48) ein Messer- oder Stabstreich- oder Verteilgerät ist.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen an eine Saugvorrichtung angeschlossen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Durchgang (54) zur Einführung von Material in den freien Raum (44) in dem Kanal (2o) vorgesehen ist.
1o. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch zwei Öffnungen (46; 54) nach dem freien Mittelraum (44) des Kanals (2o) zum Durchlaß von Material nach der einen oder anderen oder nach beiden Öffnungen hin oder von einer oder der anderen oder beiden Öffnungen (46; 54) weg.
11. Verfahren zur Bearbeitung von viskosem flüssigem Kunststoff und polymerem Material, wobei man das Material durch eine Eingabeöffnung in einen ringförmigen Kanal zwischen gegenüberliegenden Wänden/ die sich gleichzeitig nach einer Auslaßöffnung hin bewegen, einführt, das Material in dem Kanal durch eine Oberfläche hält, den Kanal benachbart zu der Auslaßöffnung blockiert ,um das Material an der Bewegung mit den Wänden zu hindern, um eine Relativbewegung zwischen dem Material und den Wänden zu erzeugen, Teile des .Materials, die in Kontakt mit den Wänden sind, entgegen der Blockierung

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zum Bearbeiten und Entladen mitreißt und die Entladungsrate des Materials, aus dem Kanal mit der Oberflächengröße und der Bewegungsrate der gegenüberliegenden Wände relativ zu dem Hauptkörper an Material und mit den Eigenschaften des Materials koordiniert, um die gewünschte Bearbeitung zu erzielen, dadurch gekennzeichnet, daß man einen größeren Teil des Kanals an einer Stelle, die von der Block.i erstelle und der Auslaflöffnung einen grö-eren Teil des kreisumfänglichen Abstands zwischen dem Zuführpunkt und dem Auslaßpunkt in Richtung entgegen der Drohung der gegenüberliegenden Wände des Kanals entfernt ist,sperrt, um viskoses Material zwischen der Einlaßöffnung und der Stelle der Blockierung zur Anlage an den gegenüberliegenden Wänden zu sammeln, um es nach vorne mitzuschleppen und das viskose Material als dünne Schicht auf den gegenüberliegenden Wanden durch ennc Durchgänge zwischen dar^Oerrstelle und den gegenüberliouonden Wänden in einer Rate passieren, zu lassen, die durch die Abmessungen der Durchgänge, die Geschwindigkeit der Wände und die Eigenschaften des viskosen Materials gesteuert werden, um an den Seitenwinden vor derSperrstelle Schichten aus viskosem Material von gesteuerter Dicke zu bilden und mittlere Raurnbereicho des Kanals von viskosem Material in Bereichen vor der Sperrstelle in Bewegungsrichtung des Kanals freizulassen, und das Material nach dem freien Mittelraum des Kanals oder aus ihm heraus fließen läßt.
12.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrstelle oder das Hindernis im Abstand von der Einlaßöffnung gehalten wird, um einen Druck benachbart zu dem Hindernis durch die Mitschleppwirkung der Kanalwände auf das viskose Material in dem Raum zu entwickeln, um das Aufstreichen des viskosen Materials auf die Kanalwände und sein Durchpressen durch die Durchgänge unterstützen.

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13. Verfahren nach .Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumenfließrate des viskosen Materials durch die engen Durchgänge und die Volumenfließrate durch die Auslaßöffnung gesteuert werden, um den freien Mittelraum zu erhalten und eine Masse des viskosen Materials gegen die Blockierung zu sammeln, wobei sich die Blockierung über eine kreisumfängliche Entfernung erstreckt, um durch die Mitreißwirkung der Kanalwände auf das Material der angestauten Masse einen Entladedruck zu erzeugen.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehgeschwindigkeit des Kanals mit dem Querschnitt der engen Durchlässe abgestimmt wird, um eine vorbestimmte Volumenfließrate zu erhalten, und ebenfalls mit der Mitschleppwirkung der Wände auf das Material der angestauten Masse abgestimmt wird, um einen vorbestimmten Entladedruck und eine vorbestimmte Entladerate zu schaffen, wenn sich die angestaute Masse über eine vorbestimmte kreisumfängliche Entfernung von der Blockierung nach hinten erstreckt.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß

die vorbestimmte kreisumfängliche Entfernung einen kleineren Teil des kreisumfänglichen Abstands zwischen der Hemmstelle oder dem Hindernis und der Blockierung beträgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugwirkung auf den freien Mittelraum ausgeübt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß Material in die freie Mittelöffnung eingeführt wird.

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