DE3149333A1

DE3149333A1 - Verfahren und extruder-vorrichtung zur herstellung vernetzter kunststoffgegenstaende

Info

Publication number: DE3149333A1
Application number: DE19813149333
Authority: DE
Inventors: Aarne Juho Henrik Dipl.-Ing. 15210 Lahti Heino; Erkki Ilmari Dr.phil. 15560 Nastol Puolakka; Pertti Olavi Prof. Dr.phil. 33730 Tampere Törmälä
Original assignee: PROPLAST Oy
Current assignee: PROPLAST Oy
Priority date: 1980-12-19
Filing date: 1981-12-12
Publication date: 1982-07-15
Also published as: NL8105692A; DK541781A; ES508641A0; IT8149930A0; SE8107539L; GB2090559A; ES8300570A1; JPS57128529A; FR2500789A1

Description

DR. INC. HANS LICHTi · DIPL."INC. HEINER LICHTI

DIPL-PHYS. DR. JOST LEMPERT PATENTANWÄLTE

D-7500 KARLSRUHE 4IiGROTZINCEN) - DURLACHER STR. 31 {HOCHHAUS)

TELEFON <O72I) 48511

PROPLAST OY 11. Dezember 1981

^NorOkatu5 6235/81 Le

SF-15230 LAHTI 23 / Finnland

Verfahren und Extruder-Vorrichtung zur Herstellung vernetzter Kunststoffgegenstände

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von vernetzten Kunst stoffgegenständen mittels einer Extruder-Vorrichtung mit einer Förderschnecke, die einen Gewindebereich aufweist, wobei Kunststoff-Rohmaterial, das im wesentlichen frei von Vernetzungsmittel ist, bei einer ersten erhöhten Temperatur extrudiert wird, ein relativ geringer Anteil einer Mischung von Kunststoff-Rohmaterial und mindestens einem Vernetzungsmittel in den Schmelzmassenfluß eingebracht wird und das Kunststoff-Rohmaterial sowie die Mischung vor dem Austritt aus dem Extruder miteinander vermengt werden sowie eine Extruder-Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, zur Herstellung eines vernetzten Kunststoffgegenstandes, mit einem Hauptextruder zum Extrudieren eines geschmolzenen Kunststoff-Rohmaterials, der einen Extruder-Zylinder mit einer Einlaßöffnung in seinem Mantel, einer Hauptschnecke', die innerhalb des Zylinders drehbar ist und einen Gewindeabschnitt hat, einen Extruderkopf, der am äußeren Ende des Zylinders angeordnet ist und einen Mischkopf aufweist, der innerhalb des Zylinders zwischen dem äußeren Ende der Hauptschnecke und dem Extruderkopf angeordnet ist,

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und mit einem Hilfsextruder, der bei der Öffnung angeordnet ist, um geschmolzenes Kunststoff-Rohmaterial zusammen mit Additiven in den Zylinder zu führen.

Mittels gattungsgemäßer Verfahren und Vorrichtungen werden vernetzte Kunststoffgegenstände aus thermoplastischen Harzen hergestellt.

Der verbreitetste thermoplastische zu vernetzende Harz ist Polyethylen, dessen Mol ekulatstruktur durch di e Vernetzungswirkung netzartig ausgebildet ist. Hierdurch wird die Wärmebeständigkeit eines Gegenstandes beträchtlich verbessert.

Die Vernetzung von Kunststoff gegenständen, die durch Extrusion hergestellt werden, wird heute in einer Vielzahl verschiedener Weisen ausgeführt. Das preiswerteste und daher verbreitetste Verfahren ist die Vernetzung mittels Peroxiden, wobei ein geeignetes Peroxid, das bei den Extrusionstemperaturen sich noch nicht aufspaltet, dem Kunststoff-Rohmaterial vor oder in Verbindung mit dem Extrusionsprozeß zugefügt wird. Nach der Formgebung, die im Extruderkopf erfolgt, wird der Gegenstand auf eine Temperatur erhitzt, bei der die Peroxide sich aufspalten, wodurch die Vernetzung des Gegenstandes bewirkt wird.

Ein Nachteil des insoweit beschriebenen Verfahrens ist seine Langsamkeit. Die Schmelzflußeigenschaften eines vernetzten Materials sind, selbst wenn dieses nur teilweise vernetzt ist, sehr gering. Daher darf nicht einmal eine teilweise Aufspaltung der Peroxide im Extruder erfolgen. Weiterhin ergibt sich, daß die eingesetzten Peroxide derart sein müssen, daß ihre Zersetzung nur bei hohen Temperaturen erfolgtj oder aber die Extrusionstemperatur muß relativ gering sein. In beiden Fällen muß die Temperatur des hergestellten Erzeugnisses nach der Formgebung erheblich erhöht werden, damit das Peroxid sich zumindest mit einer

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einigermaßen annehmbaren Geschwindi gkeit aufspaltet. Aufgrund der bekannten geringen Wärmeleitfähigkeit von Kunststoff materialien ergibt sich, daß die Vernetzung insbesondere von Gegenständen mit dicken Wänden recht langsam erfo Igt und lange Heizlinien im Anschluß an den Extruder erfo rdert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Verfahren und eine insbesondere zu dessen Durchführung vorteilhaft geeignete Extruder-Vorrichtung zu schaffen, die eine effiziente und einfache Herstel lung von vernetzten Kunststoffgegenständen gestatten.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Einführen der Zusatzmischung in einem Bereich ausgeführt wi rd, der in der Nähe des - in Fließrichtung gesehen - äußeren Ende des Gewindeabschnitts der Förderschnecke liegt, und daß die Zufuhr der Zusatzmischung bei einer zweiten erhöhten Temperatur erfolgt, die geringer ist, als die erste Temperatur.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also weiterhin die Vernetzung mittels Peroxiden durchgeführt, doch werden insbesondere andere Verfahrensbedingungen gewählt, wobei insbesondere eine Extrusionstemperatur erreicht werden kann, die schon ausreichend ist, um eine schnelle Durchführung der Vernetzungsreaktion zu bewirken. Es werden weiterhin keine zusätzlichen Heizvorgänge im Anschluß an den Extrusionsvorgang gefordert. Grundsätzlich ist di e Notwendigkeit zusätzlicher Heizung wesent-Iich reduziert.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Öffnung in axialer Richtung zwischen dem äußeren Ende des Gewindeteils der Hauptschnecke und dem M ischkopf angeordnet ist.

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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert sind. Dabei zeigt:

Figur 1 Eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Extruders;

Figur 2 eine entsprechende Sicht einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Extruders; und

Figur 3 eine Schnittansicht der Schneckenanordnung eines Extruders nach Figur 2 in vergrößertem Maßstab.

Bei einem Extruder 1 nach der Figur 1 wird das rohe Kunststoff material in dosierter Weise in den Trichter 2 des Hauptextruders 1 eingegeben. Durch die gemeinsame Wirkung der von Zylinderwänden 3 abgegebenen Hitze und der Scherwirkung, die durch die Drehbewegung der Förderschnecke 4 bedingt ist, schmilzt die Mischung und wird homogen. Gleichzeitig wird durch den Trichter 6 eines Hilfsextruders 5, der in der Nähe des vorderen Endes des Zylinders 3 angeordnet ist, ein gewisser Betrag des gleichen Rohmaterials zusammen mit Peroxid im Überschuß zugemessen. Durch die Wirkung der Hilfsschnecke 7 und der von außen zugeführten Hitze schmilzt auch diese Mischung und wird homogen, bevor sie in die Mischung des Hauptextruders 1 durch das Rohrstück 12 eingeführt wird, welches in der Nähe des vorderen Endes des Gewindeabschnitts des Hauptextruders 1 angeordnet ist. Wenn die Temperatur der Mischung des Hauptextruders 1 auf einem ausreichend hohen Niveau eingestellt ist und die Temperatur der Mischung des Hilfsextruders 5 so gering gehalten wird, daß eine Zersetzung der Peroxide innerhalb des Hilfsextruders 5 nicht eintreten kann, wird eine M ischung erzeugt, deren Temperatur durch die Temperaturen der vom Hauptextruder 1 und Hilfsextruder 5 züge-

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führten Materialien in Abhängigkeit vom Verhältnis der jeweiligen Materialflüsse bestimmt ist. Wenn die Materialflüsse zusammenkommen, wird die Mischung durch die Wirkung des vorderen Endes der Förderschnecke 4 des Hauptextruders 1 homogenisiert. Es ergibt sich aber bezüglich des Wärmeausgleichs eine leichte Verzögerung aufgrund der Langsamkeit der Wärmeleitung. Während dieser Verzögerungszeit erreicht di e Masse den Extruderkopf 9. Jetzt tritt die Vernetzung schnell ein, da die Temperatur der Masse relativ hoch ist. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Gemäß dieser Ausgestaltung" ist der Berührungspunkt 8, 11 der beiden geschmolzenen Materialflüsse hinter dem Gewindeteil 12 der Hauptschnecke 4 - gesehen in Flußrichtung - angeordnet. Mittels dieser Ausgestaltung wird ein nachteiliges Verrühren der Peroxid enthaltenden Schmelze vermieden.

Es ist bekannt, daß zwei Arten von Flüssen im Gewindeteil des Extruders auftreten: Ein Vorwärtsfluß aufgrund der Drehungen der Schnecke und ein Rückwärtsfluß aufgrund des Gegendruckes, der durch den Extruderkopf erzeugt wird. Die Summe dieser Fl üsse bewegt die zu extrud ierende Masse insgesamt dennoch in Vorwärtsrichtung, der Rückfluß bewirkt aber eine beträchtliche Dispersion der Aufenthaltszeiten der verschiedenen Schmelzflußteilchen im Bereich des Gewindeabschnittes der Schnecke. Wenn der Peroxid enthaltende Hilfsfluß mit dem Hauptfluß an einer Stelle zusammentrifft, an der ein Rückwärtsfluß stattfindet, bleibt der Hilfsfluß wesentlich länger im Gewindebereich als eine Portion der Hilfsschmelze, die mit einer Vorwärtsfluß-Komponente im Gewindebereich der Hauptschnecke zusammentrifft. Um ein Vernetzen innerhalb des Extruders in einem solchen Fall zu vermeiden, muß die Temperatur des Hauptextruders geringer gehalten werden als in einem Falle, in dem ausschließlich Vorwärtsfluß nach dem Punkt stattfindet, an dem die Schmelzen zusammenkommen.

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Letztere Situation wird erreicht, wenn der Fluß des Hilfsextruders 5 erst mit dem Fluß des Hauptextruders 1 an einem Punkt 8, 11 hinter dem Gewindebereich 12 der Hauptschnecke 4 zusammenkommt. Im Kontaktbereich 8, 11 ist die Hauptschnecke 4 als dünner, zylindrischer Wellenabschnitt 11 ausgebildet, der zusammen mit der ylinderwand eine ringförmige Mischkammer 11 bildet.

Der vordere Teil der Hauptschnecke 4, der sich an den dünnen Wellenabschnitt 10 anschließt, ist ein herkömmlicher Mischkopf 13, der mit axialen Einlaßnuten 14 und Auslaßnuten 15 versehen ist. Die Anordnung ist derart, daß die zu extrudierende Masse in der Mischkammer 11 nur durch die Einlaßnuten 14 eintreten kann. Zwischen jeder Einlaßnut und einer zugehörigen Auslaßnut 15 befindet sich ein peripherer Durchlaß 17, durch den die zu extrudierende M asse vom Einlaß 14 zum zugehörigen Auslaß 15 fließt. Zwischen den Paaren von Einlaß- und Auslaßnuten 14, 15 ist eine axiale Kante 16 angeordnet, die in Gleitkontakt mit der hinteren Fläche des Zylinders 3 steht. Hierdurch wird verhindert, daß ein Fluß zwischen verschiedenen Paaren von Einlaß- und Auslaßnuten 14, 15 stattfindet. Der periphere Durchlaß 17 hat eine geringe radiale Höhe im Vergleich zu den Nuten 14, 15 auf seinen beiden Seiten . Hierdurch wird eine vollständige Durchmischung der Fließmasse erreicht.

Vom vorderen Ende der Auslaßnut 15 tritt die vermischte Masse in einen Ringkanal 19 , der durch die innere Fläche des Extruderkopfes 9 und das entsprechende konische vordere Ende 18 des Mischkopfes 13 bestimmt ist. Schließlich tritt die zu extrudierende Masse durch die zentrale Öffnung aus, die dem extrudieren Produkt ihre Form gibt.

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Durch die dargestellten bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Extruders erreicht man, daß jedes Teilchen der vermischten Masse eine im wesentlichen konstante Fl ußdauer von der Mischkammer 11 zum Extrusionskopf 9 hat.

Beispiel

Mittels des Hauptextruders 1 (innerer Zylinderdurchmesser 40 mm), wurde Polyethylen niedriger Dichte verarbeitet, dessen D ichte bei

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920 kg/m lag und das einen Schmelzindex von 1,8 g/10 Min. bei einem Gewicht von 2,16 kg aufwies. Die Temperatur der Mischung wurde bei 210 C eingestellt. Mittels des Hilfsextruders 5 wurde eine Mischung aus dem gleichen Rohmaterial und aus Dikumyl - Peroxid im Verhältnis von 86 : 14 verarbeitet. Die Temperatur der Mischung wurde auf 135 C eingestellt. Der Ausstoß des Hauptextruders wurde auf 30 kg/h festgelegt und der Ausstoß des Hilfsextruders auf 5 kg/h. Nach Vermischen der Massenflüsse wurde eine Temperatur der gemeinsamen Masse von 205 C gemessen. Der gesamte Massenfluß war nicht ganz 35 kg/h. Der Anteil an Peroxid in der gesamten Masse lag bei etwa 2 %. Hinter dem Extruderkopf 9 vernetzte das Erzeu gnis in etwa 15 Sek., wobei der Vernetzungsgrad bei 82% bei Lösung in Xylol lag. Das Aussehen und die mechanischen Eigenschaften des hergestellten erzeugnisses waren ausgezeichnet.

Neben den dargestellten bevorzugten Ausführungsformen liegt es auch im Rahmen der Erfindung, einen statischen, d.h. sich nicht drehenden Mischkopf zu verwenden. In diesem Falle dreht sich die Hauptschnecke 4, 10 entsprechend der Figur 3 relativ zum Mischkopf 13, der relativ zum Extruderzylinder 3 fest steht. Sich mitdrehende und statische Mischköpfe sind an sich bekannt.

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D ie in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in bei iebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

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Bezugsze ichen-Li ste 6235/81 Le

1	fcxtruder
2	Trichter
3	Zy linder wand
4	Förderschnecke
5	Hilfsextruder
6	Trichter
7	Hilfsschnecke
8	Rohrstück
9	Extruderkopf
10	WeI Ienteil
11	Mischk mmer
12	Gewindeabschnitt
13	Mischkopf
14	Einlaß nut
15	Auslaßnut
16	Kante
17	Durchlaß
18	vorderes Ende (von 13)
19	Ringkanal
20	Zentral öffnung

Leerseite

Claims

DR. ING. HANS LICHT! · DIPL.-ING. HEINER LICHTI DIPL.-PHYS. DR. JOST LEMPERT PAT E N TA N WA LTE

D-7500 KARLSRUHE 41 (CRÖTZINCEN) · DURLACHER STR. 31 (HOCHHAUS)

TELEFON (O721J 485Il

PROPLAST OY 11. Dezember 1981

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SF-15230 LAHTI / Finnland

PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zur Herstellung von vernetzten Kunststoff gegenständen mittels einer Extruder-Vor richtung mit einer Förderschnecke, die einen Gewindebereich aufweist, wobei Kunststoff-Rohmaterial, das im wesentlichen frei von Vernetzungsmittel ist, bei einer ersten erhöhten Temperatur extrudiert wird, ein relativ geringer Anteil einer Mischung von Kunststoff-Rohmaterial und mindestens einem Vernetzungsmittel in den Schmelzmassenfluß eingebracht wird und das Kunststoff-Rohmaterial sowie die Mischung vor dem Austritt aus dem Extruder miteinander vermengt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Einführen der Zusatzmischung in einem Bereich ausgeführt wird, der in der Nähe des - in Fließrichtung gesehen - äußeren Ende des Gewindeabschnitts der Förderschnecke liegt, und daß die Zufuhr der Zusatzmischung bei einer zweiten erhöhten Temperatur erfolgt, die geringer ist, als die erste Temperatur.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr-der. "Zusatzmischung in einem Bereich ausgeführt wird, der in.Elußrichtung„hinter .dem Gewiadeabschnitt. der Hauptförderschnecke, liegt. '
3- Verfahrjen nach-Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein geringer Anteil, eines die,.Vernetzung beschleunigenden Aktivatocs und/oder .eines .die^yernetZung^yerZogerndeii^nhibitors zur mittel s des Hauptextruders zu extrudierenden Masse zugefügt wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet.--.d aß .ein die Vernetzung verzögernder Inhibitor der mittels;eines Hilfsextruders zuzuführenden Mischung zugegeben wird.
5. Verfahren.nach einem^ der,vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichne t-,.-daß ein P.eroxid als Vernetzungsmittel eingesetzt wird. ...
6.. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, .daß,das Verhältnis.des bei der ersten erhöhten Temperatur zugeführten Materials und des bei der zweiten erhöhten Temperatur.zugeführten Materials im Bereich von 10 : 1 zu 5 : liegt. ,£ y _QiSl ^_-. „. .. .... ,.
7. Verfahren nach ei nem der.yorangehenden Ansprüche, dadurch ge-♦ kennzeichnet, .daß^dieerste ,erhöhte Temperatur im Bereich von Ϊ80 bis 220, C. und die zwei te'erhöhte Temperatur im. Bereich von 120 bis. 180⁰C, eingestellt^wird. _&._s

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8. Extruder-Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, zur Herstellung eines vernetzten Kunststoffgegenstandest.mit einem Hauptextruder (1 bis 4) zum Extrudieren eines geschmolzenen Kunststoff-Rohmaterials, der einen Extruder-Zyl|nder,(3X mit einer E.inlaßöffnung (8) in seinem Mantel,· eine_;Hauptschnec^e (4)_f die jnnerhalb des Zylinders (3) drehbar ist und einen Gewindeabschnitt (12) hat, einen Extruderkopf (9) , der am äußeren Ende des Zylinders (3) angeordnet ist und einen Mischkopf (13 bis..1.8). aufweist, der innerhalb des Zylinders (3). zwischen dem, äußeren Ende der Haupt schnecke (4) und dem..Extruderkopf (9) angeordnet,ist, und mit einem H ilfsextruder (5, .7),der.bei der Öffnung (8) angeordnet ist, um geschmolzenes Kunststoff-Rohmaterial zusammen mit Additiven in den Zylinder (3) zu führen,

dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung (8) in axialer Richtung zwischen dem äußeren Ende des Gewindeteils (12) der Hauptschnecke (4) und dem Mischkopf (13 bis 18) angeordnet ist.
9. Extruder-Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptschnecke (4) einen dünneren Wellenbereich (10) aufweist, der zusammen mit dem Mantel (3) eine ringförmige Mischkammer (11) unterhalb der Öffnung (8) bildet.
10. Extruder-Vor richtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischkopf (13) mit der Hauptschnecke (4) drehfest verbunden ist.