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Kontinuierlich arbeitender Mischer
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Beschreibung Die Erfindung bezieht sich auf einen kontinuierlich
arbeitenden Mischer mit besonders guter Mischwirkung.
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Zum Mischen von Stoffen mit hohem Molekulargewicht, beispielsweise
Kunstharzen, werden häufig kontinuierlich arbeitende Mischer benutzt, die in einer
Kammer 1 eine Mischerwelle 2 mit einem Mischabschnitt (Flüyel bzw. Schaufel) mit
ovalem Querschnitt aufweisen, wie dies in Figur 1 gezeigt ist, auf die schon hier
Bezug genommen wird. Bei einem solchen Mischer sind die Kopfleisten 4 an den Kanten
bzw.
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Spitzen der Schaufel 3, d.h. die die Schaufel 3 radial begrenzenden
Flächen, mit vorgegebener Steigung schraubenlinienförmig verdreht. Wenn die Mischerwelle
2 gedreht wird, wird das eingefüllte Mischgut aufgrund des Schervorgangs
zwischen
der Schaufel 3 und der Kammer 1 erwärmt, geschmolzen und gemischt. Dem stärksten
Schervorgang ist das Mischgut dabei ausgesetzt, während es durch den Kopfzwischenraum
5 zwischen den Kopfleisten 4 und der inneren Oberfläche der Wand der Kammer 1 gezwängt
wird.
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Die Mischleistung eines solchen Mischers hängt daher vom Schervorgang
ab, und zwar insbesondere davon, wie wirkungsvoll der Schervorgang durchgeführt
wird. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Mischleistung von der Schubzahl bzw.
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Scherrate im Kopfzwischenraum 5 abhängt.
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Im folgenden wird die Mischleistung eines Einwellenmischers betrachtet.
Für die Scherrate 8 des Mischers gilt: n.D.N -1 y = - (sec ) (1) h x 60 Darin bedeuten
h: Radialer Kopfzwischenraum 5 (mm) zwischen der Schaufel 3 und der inneren Oberfläche
der Wand der Kammer 1; D: Innendurchmesser (mm) der Kammer 1; und N: Drehzahl (Umdrehungen
je Minute) der Schaufel 3.
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Aus Gleichung (1) ist erkennbar, daß die Scherrate W um so größer
wird, je kleiner der Kopfzwischenraum h ist.
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Ferner wird die erwähnte Mischleistung auch stark durch die Scherspannung
« , die von der Schaufel 3 auf das Mischgut übertragen wird, sowie von der Scherbelastung
SS beeinflußt, die auf das Material als Verformungsenergie übertragen wird.
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Wenn die Zähigkeit des Mischgutes (kg-sec/cm2) mit p bezeichnet wird,
kann die Scherspannung wiedergegeben werden durch
Y = Z y (kg/cm2)
(2) Wenn die Mischzeit (sec) mit MT bezeichnet wird, kann die Scherbelastung wiedergegeben
werden durch SS = t At MT (kg sec/cm2) (3) Aus den Gleichungen (2) und (3) ist erkennbar,
daß die Scherspannung « und die Scherbelastung SS durch die Scherrate y, die Zähigkeit
µ des Materials und die Mischzeit MT bestimmt sind. In jedem Fall ist die Scherrate
i eine wesentliche Einflußgröße.
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Während der Bewegung der Schaufel 3 vom und zum Punkt A, d.h. während
einer Umdrehung, ist das Mischgut einer Scherbelastung SS ausgesetzt, deren Verteilung
in Figur 2 wiedergegeben ist. In Figur 2 bezeichnet L jeweils die Breite und die
Lage der Kopfleiste.
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Wie in Figur 2 deutlich erkennbar ist, hat der Wert der Scherbelastung
SS sein Maximum während der Zeitdauer, während der das Mischgut durch den Kopfzwischenraum
5 gezwängt wird, wobei während dieses Zeitraumes ungefähr die Hälfte der gesamten
Scherbelastung aufgebracht wird, die das Mischgut erfährt.
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Wenn die Höhe des Kopfzwischenraumes 5 mit Ct(mm) bezeichnet wird,
ergibt sich als Maximalwert der Scherrate Ymax aus Gleichung (1): # . D . N #max
(sec-1) ..........(4) Ct x 60 Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich der Maximalwert
der
Scherbelastung 55max je Mischzeiteinheit MTo(sec) zu 55max = zu zu tmax MTo (5)
Aus Gleichung (5) ist erkennbar, daß der Maximalwert der Scherbelastung SSmax durch
den Maximalwert der Scherrate Ymax bestimmt ist. Ferner ist aus Gleichung (4) erkennbar,
daß der Maximalwert der Scherrate mal um so größer wird, je kleiner die Höhe ct
des Kopf zwischenraumes ist.
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Wenn die Breite 1 der Kopfleiste 4 kleiner ist, tritt die maximale
Scherbelastung 55max auf einer geringeren Breite bzw. kürzeren Strecke auf, so daß
die Gesamtscherbelastung kleiner wird, und zwar auch dann, wenn die Höhe ct des
Kopfzwischenraumes 5 verringert wird, so das dadurch jegliche Verbesserung der Mischeigenschaften
aufgehoben wird. Wenn die Höhe Ct des Kopfzwischenraumes 5 zu gering ist, kann es
je nach der Art des Mischgutes Schwierigkeiten machen, das Mischgut durch den Kopf
zwischenraum 5 zu zwängen. Wenn andererseits die Breite 1 der Kopfleiste 4 zu groß
ist, wird es schwierig, einen ordnungsgemäßen Mischbetrieb durchzuführen, da die
Gefahr einer Überlastung der Mischerwelle und zu starker Wärmerzeugung besteht.
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Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß außer dem Wert der
maximalen Scherrate y die Breite der Kopfleiste 4 und die Höhe ct des Kopfzwischenraumes
5 wichtige Einflußgrößen sind, die das Verhalten des vorstehend beschriebenen Mischers
bestimmen.
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Ferner ist bekannt, daß ein herkömmlicher kontinuierlicher Mischer
in Zweiwellenbauart, der zwei nebeneinander verlaufende Mischerwellen in einer Kammer
aufweist, einen höheren Mischwirkungsgrad hat und eine kürzere Mischzeit erfordert,
als der vorstehend beschriebene Einwellenmischer.
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Bei den herkbmmlichen kontinuierlichen Zweiwellenmischern ist es'jedoch
üblich, die maximale Scherrate y auf ungefähr 1000 bis 1800 sec 1 festzulegen und
die Breite 1 der Kopfleiste derart festzulegen, daß ihr Wert 1 bis 2,5 mal grösser
als die Höhe ct des Kopfzwischenraumes ist.
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Solche herkömmlichen Zweiwellenmischer haben sich als geeignet zum
Mischen üblicher Kunstharze erwiesen. Sie sind jedoch nicht zum befriedigenden Mischen
von in jüngerer Zeit entwickelten, besonderen Kunstharzen geeignet.
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Im Zuge der jüngeren Entwicklung der Kunstharztechnik werden Kunstharze
für verschiedenste Zwecke allein oder in Form von Polymermischungen, die aus zwei
oder mehr Kunstharzen bestehen, oder in Form von Verbundstoffen benutzt, denen verschiedenste
Zuschläge beigemischt sind. Beim Mischen besonderer Kunstharze dieser Art hat sich
gezeigt, daß die herkömmlichen kontinuierlichen Zweiwellenmischer nicht für ausreichende
Mischung sorgen. Insbesondere ist es schwierig, mittels der erwähnten herkömmlichen
kontinuierlichen Zweiwellenmischer eine befriedigende Mischwirkung zu erzielen,
wenn Polypropylenblockcopolymere gemischt werden sollen, wenn bei einem Mischvorgang
der Hauptzweck die Homogenisierung ist (beispielsweise beim Mischen zum Beseitigen
sogenannter "Fischaugen" aus Hochdrockpolyethylen), wenn der Mischvorgang eine Mischungs-
oder Verbindungswirkung bewirken soll, wie dies bei der Herstellung einer Polymermischung
aus einem Olefinharz und Gummi oder einem Elastomer oder einer Verbindung aus einem
Olefinharz und Ruß der Fall ist, oder wenn beim Mischen von Polyvinylchlorid oder
dergleichen eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften notwendig ist.
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Der erfindungsgemäße Mischer ist im Patentanspruch gekennzeichnet.
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Unter Berücksichtigung der vorstehend erläuterten Umstände schlägt
die Erfindung einen kontinuierlich arbeitenden Zweiwellenmischer vor, bei dem die
Breite der Kopfleiste auf einen Wert festgelegt ist, der 4 bis 6 mal größer als
der Kopfzwischenraum ist, und bei dem die maximale Scherrate auf 300 bis 500 sec
1 festgelegt ist, damit dadurch für hervorragende Mischwirkung selbst bezüglich
der vorstehend erwähnten besonderen Kunstharze gesorgt ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnungen ausführlicher
erläutert, wobei sich aus dieser Erläuterung einige der mit der Erfindung erzielten
Vorteile ergeben. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Schnittdarstellung zur Erläuterung
des Mischverhaltens eines herkdmmlichen Einwellenmischers; Figur 2 ein Diagramm,
das die Scherbelastungsverteilung im Mischer gemäß Figur 1 wiedergibt; Figur 3 einen
senkrechten Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen kontinuierlichen
Mischers; Figur 4 einen waagerechten Längsschnitt durch den Mischer gemäß Figur
3; Figur 5 eine Schnittdarstellung gemäß V-V in Figur 3; und Figur 6 ein Diagramm,
das die Scherbelastungsverteilung beim erfindungsgemäßen kontinuierlichen Mischer
wiedergibt.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
unter Bezugnahme auf die Figuren 3 bis 6 erläutert.
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Der dargestellte Mischer 10 umfaßt einen Einlaß 20 und einen Auslaß
30, die sich an entgegengesetzten Enden des Mischers befinden, und weist in seinem
Inneren eine Kammer mit Feldstecherprofil auf, in die zwei parallele Mischerwellen
40 eingesetzt sind.
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Jede Mischerwelle besteht, bei Betrachtung vom einlaßseitigen Ende
des Mischers aus, aus einem Förderabschnitt 41, einem Mischabschnitt 42 und einem
Austragabschnitt 43. Der Förderabschnitt 41 ist als Schnecke ausgebildet, und der
Mischabschnitt 42 umfaßt einen Flügel bzw. eine Schaufel mit ovalem Querschnittsprofil,
die von ihrem Anfang bis zu einem Mittelpunkt im gleichen Sinn wie die Schnecke
verdreht ist und die vom Mittelpunkt bis zu ihrem dem Austragabschnitt 43 benachbarten
Ende im entgegengesetzten Sinn verdreht ist. Der Austragabschnitt 43 ist als gerader
Flügel bzw. gerade Schaufel mit gleichem Querschnittsprofil wie das des Mischabschnittes
42 ausgebildet.
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Entsprechend den einzelnen Abschnitten der Mischerwellen ist die Kammer
in Förderkammern 11, Mischkammern12 und Austragkammern 13 unterteilt, die in Axialrichtung
ineinander übergehen. Die zwei in Querrichtung nebeneinander angeordneten, artgleichen
Kammern stehen jeweils auch miteinander in Verbindung. Am Auslaß 30 befindet sich
eine Austrittsöffnung mit einer Blende 15, mittels der eingestellt werden kann,
wie weit die Austrittsöffnung geöffnet ist.
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Bei diesem kontinuierlichen Zweiwellenmischer wird das durch den Einlaß
20 in den Mischer 10 eingegebene Mischgut von den Förderabschnitten 41 der sich
drehenden Mischerwellen 40 in die Mischkammern 12 gefördert und, nachdem es
von
den Mischabschnitten 42 in den Mischkammern 12 gemischt worden ist, von den Austragabschnitten
43 durch den Auslaß 30 aus dem Mischer abgegeben.
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Wie in Figur 5 erkennbar ist, ist erfindungsemäß in den Mischkammern
des vorstehend beschriebenen kontinuierlichen Zweiwellenmischers die Breite 1 der
Kopfleiste 44 an den Rändern bzw. Kanten der die Mischabschnitte 42 bildenden Schaufeln
auf einen solchen Wert festgelegt, daß sie 4 bis 6 mal größer als die Höhe ct des
Kopfzwischenraumes 45 entlang der inneren oberfläche der Wand der Kammer ist. Außerdem
ist ertindungsgemän entsprechend Gleichung (4) die mdximale Scherrate y im Kopfzwischenraum
wie folgt festgemax legt: n D N max Ct x 60 #max = 300 # 500 (sec-1) Wenn diese
Festlegungen getroffen sind, wird während einer Umdrehung der Mischabschnitte 42
in den Mischkammern 12 das Mischgut einer Scherbelastung SS ausgesetzt, die entsprechend
Figur 6 verteilt ist, wobei die Darstellung in Figur 6 auf gleiche Weise wie in
Figur 2 erfolgt. In Figur 6 gilt die strichpunktierte Kurve a für den herkömmlichen
Mischer und gilt die ausgezogene Kurve b für die Erfindung.
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Wie Figur 6 zeigt, sorgt die Erfindung dafür, daß der Wert der maximalen
Scherbelastung kleiner als beim herkömmlichen Mischer gehalten wird, während gleichzeitig
die Breite, d.h.
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diejenige Zeitdauer, während der das Mischgut der maximalen Scherbelastung
ausgesetzt ist, auf L' vergrosert ist.
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Die Erfindung sorgt somit für eine mittelstarke Scherwirkung während
einr längeren Zeitdauer, was im Gegensatz zu den
herkömmlichen
Mischern steht, die eine kräftige Scherwirkung während einer kürzeren Zeitdauer
erzeugen. Obwohl die Geseltmenge der Scherbelastung in beiden Fällen im wesentlichen
gleich ist, ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung die Gefahr einer Oberlastung
der Mischerachsen sowie übermäßiger Wärmeerzeugung ausgeschlossen.
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Der erfindungsgemäße kontinuierliche Mischer mit der vorstehend erläuterten
Ausbildung, der die Scherwirkung im Kopfzwischenraum mit mittlerer Kraft während
einer längeren Zeitdauer erzeugt, zeigt hervorragende Eigenschaften und Auswirkungen,
insbesondere beim Mischen der zuvor erwähnten speziellen Kunstharze. Er sorgt nämlich
für vollständige Homogenisierung, wenn Polypro?ylenblockcopolymere gemischt werden,
und verhindert das Auftreten bzw. entfernt leicht sogenannte "Fischaugen" beim Mischen
von l-lochdruckpolyethylenen. Außerdem ist es beim Mischen zur Herstellung einer
Polymermischung aus einem Olefinharz und Kautschuk oder eines Elastomers oder einer
Verbindung aus einem Olefinharz und Ruß oder dergleichen möglich, für gleichmäßige
Verteilung des Materials zu sorgen und dadurch eine homogene Mischung bzw. Verbindung
zu erzeugen.BeimXiischen von Polyvinylchlorid ist es möglich, durch gleichmäßige
Verteilung eines Plastifiziermittels für gleichmäßige Härte zu sorgen.
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WesentLicher Gedanke der Erfindung ist somit ein kontinuierlicher
Mischer, der in einer Kammer, die an ihren entgegengesetzten Enden einen Einlaß
und einen Auslaß für das Mischgut hat, zwei nebeneinanderliegende Mischerwellen
aufweist, die jeweils einen Förderabschnitt, einen Mischabschnitt und einen Austragabschnitt
haben. Der Mischabschnitt hat Konfleisten, d.h. die Köpfe des Mischabschnittes radial
begrenzende Flächen, deren Breite 4 bis 6 mal größer als der Zwischenraum zwischen
den Kopfleisten und den Wänden der Kammer ist. Die maximale Scherrate liegt im Bereich
von 300 bis 500 sec 1.
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Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sorgt die Erfindung
für hervorragende Mischwirkung bei speziellen Kunstharzen, hinsichtlich derer es
bei herkömmlichen Mischern schwierig war, sie ausreichend zu mischen. Ferner trägt
die Erfindung bei zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften und der Qualität
verschiedener Kunstharze.
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Es liegt auf der Hand, daß zahlreiche weitere Abwandlungen und Snderungen
der Erfindung aufgrund der offenbarten Lehre möglich sind. Es versteht sich daher,
daB die Erfindung anders ausgeführt werden kann, als dies anhand eines Beispiels
vorstehend beschrieben ist.
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