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Einrichtung zum Homogenisieren einer von einem
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Extruder abgegebenen Kunststoffschmelze Die Erfindung betrifft eine
Einrichtung zum Homogenisieren der insbesondere von einem Extruder abgegebenen Kunststoffschmelze
mit in deren Förderweg vorgesehenen Einbauten wie Torpedos oder dergleichen.
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Es ist bekannt, in den einem Extruder nachgeordneten Fließkanal für
die Kunststoffschmelze gesonderte Mischteile einzusetzen, in denen die Schmelze
zur Homogenisierung durchmischt wird. Die hierbei vorgesehenen Einbauten können
stationär sein, es ist aber auch schon vorgeschlagen worden, bspw. im Fließkanal
vorgesehene Torpedos rotieren zu lassen.
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Gemeinsam jedoch ist diesen bekannten Mischteilen, daß sie zwar die
Schmelze zerteilen und/oder deren Fließgeschwindigkeit ändern, es verbleiben jedoch
unterschiedliche Orientierungen und örtliche Spannungen in der Schmelze, die im
aus der Schmelze gefertigten Produkt zu Schlieren oder anderen Unregelmäßigkeiten
führen können, und nachteilig macht es sich bemerkbar, daß in die Schmelze eingebrachte
Füllstoffe oder Farbstoffe nicht ausreichend verteilt und Klumpen derselben mechanisch
zerkleinert und zerrieben werden. Nachteilig macht sich bei den bekannten Mischeinrichtungen
auch ihre unerwünscht große Länge bemerkbar.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, eine Einrichtung der eingangs
genannten Gattung zu schaffen, die bei einfachem
Aufbau und geringer
Baulänge eine weitgehende Homogenisierung der Kunststoffschmelze bewirkt und auch
in diese eingebrachte Füll- bzw. Farbstoffe bei dieser Homogenisierung gleichmäßig
zu verteilen und gegebenenfalls hierzu zu zerkleinern vermag.
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Gelöst wird diese Aufgabe, indem im Fließwege der Schmelze eine zur
Bildung eines Fließkanales unter Einhaltung eines Abstandes von einem Gehäuse umschlossene
Mischscheibe so vorgesehen ist, daß mindestens eine Querschnittsfläche des Fließkanales
im Bereiche einer Randzone der Scheibe zu denen von dieser vor- und/oder nachgeordneten
Zone des Fließkanales in einem Verhältnis steht, das größer als 2 : 1 ist. Erreicht
wird hierdurch, daß nicht nur die Fließgeschwindigkeit der Schmelze sich ändert,
sondern auch die Auswirkung von bereits bei deren Extrudieren bewirkten Längs- und
Querdehnungen durch zusätzliche, die bis dahin aufgetretenen Dehnungsverhältnisse
überschreitende Dehnungen gelöscht bzw. wirkungslos gemacht werden. Erreichen läßt
sich dieses durch die angegebene Ausbildung des Fließkanales, bei der durch Strömen
an ausgedehnten Wandflächen erhebliche Scherkräfte ausgeübt werden, und durch starke
Umlenkungen in Verbindung mit Erweiterungen des Querschnittes des Fließkanales die
gewünschten hohen Längs-und Querdehnungen erzielt werden.
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Insbesondere die von den Wandflächen ausgeübten Wirkungen kön nen
gesteigert werden, wenn die Mischscheibe drehantreibbar ausgebildet ist; im einfachsten
Falle ist sie mlv dem freien Ende der Extruderschnecke verbunden oder direkt auf
diesem freien Ende angeordnet, so daß nicht nur ein einfacher Aufbau erzielt wird,
sondern darüber hinaus den Strom der Schmelze aufteilende Rippen oder dergleichen
vermieden sind. Gegebenenfalls zusätzlich gesteigert werden kann die Wirkung, indem
die Oberfläche der Mischscheibe an ihrem Umfange und/oder
ihrer
Front- und/oder ihrer Rückseite aufgerauht bzw. mit diese uneben gestaltenden Flächenelementen
ausgestattet ist, so daß die in der Schmelze bewirkten Scherungskräfte verstärkt
werden. Das gleiche läßt sich, gegebenenfalls zusätz--lich, erzielen, indem die
Mischscheibe an ihrem Umfange und/ ~oder ihrer Front- und/oder ihrer Rückseite mit
Mischelementen wie Stiften, Nute, Sackbohrungen, Rippen oder dergleichen ausgestattet
ist. Andererseits kann die Mischscheibe auch, insbesondere in ihren Randbereichen,
mit sie durchziehenden Löchern ausgestattet sein, welche eine bewußte Aufteilung
der Schmelze bewirken können, insbesondere aber wiederum die auf die Schmelze ausgeübten
Scherkräfte steigern. Ein weiteres Durchwalken und damit Scheren der Schmelze läßt
sich erreichen, wenn rotierende Mischscheiben gegen die Achsnormale ihrer Achse
bzw. Antriebswelle geneigt sind, so daß der Effekt einer Taumelscheibe erreicht
und der Querschnitt des Fließkanales zumindest lokal stetig geändert werden. Eine
weitere Steigerung des Effektes läßt sich erzielen, indem die Front- und die Rückseite
der Mischscheibe gegeneinander geneigt verlaufen und/oder die Mischscheibe und/oder
die sie aufnehmende Ausnehmung des Gehäuses ballig bzw. bauchig ausgeführte Wandungsbereiche
aufweisen. Die gewünschte Temperatur kann erzielt werden, insbesondere aber bei
angetriebenen Mischscheiben läßt sich die gegebenenfalls zusätzlich bewirkte Wärme
abführen, wenn das Gehäuse mit Heiz- und/oder Kühlelementen ausgestattet ist. Als
wesentlich hat es sich auch gezeigt, in der Front-und/oder der Rückseite zugewandten
Fußbereichen der Mischscheibe den der Kunststoffschmelze geboten Fließkanal zusätzlich
einzuschnüren.
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Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden
Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit diese darstellenden Zeichnungen
erläutert. Es zeigen hierbei:
Figur 1 eine Einrichtung zum Homogenisieren
mit einer umlaufenden Mischscheibe, und Figur 2 eine eine stationäre Mischscheibe
aufweisende Einrichtung.
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In der Fig. 1 ist der Mantel 1 eines Extruders 2 dargestellt, auf
den ein aus Teilen 3 und 4 bestehendes Gehäuse 5 einer Einrichtung zum Homogenisieren
der Kunststoffschmelze aufgesetzt ist. Das Gehäuse ist auf der dem Extruder zugewandten
Seite mit einem Eintrittskana 6 und auf seiner abgewandten Seite mit einem Austrittskanal
7 ausgestattet, der mit einem Gewindestutzen zur Aufnahme nachgeordneter Vorrichtungen
endet.
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Von den Teilen 3 und 4 des Gehäuses 5 wird eine Ausnehmung 8 umschlossen,
in der eine Mischscheibe 9 vorgesehen ist, die auf das freie Ende der Extruderschnecke
10 aufgesetzt ist.
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Die dargestellte Mischscheibe 9 weist eine im wesentlichen plan ausgeführte
Front- und Rückseite 11 bzw. 12 auf, und im zentralen Bereich der Rückseite ist
ein die Umlenkung der Schmelze zum Austrittskanal 7 hin begünstigender Kegel auf
die Mischscheibe 9 aufgesetzt bzw. an sie angeformt.
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Im Betriebe wird dem Extruder 2 Kunststoffgranulat zugeführt, das
während des Durchlaufens des Extruders aufgewärmt und aufgeschmolzen wird, so daß
die erstellte Schmelze am Ausgange des Extruders in den Eintrittskanal 6 des Gehäuses
7 hineingedrückt wird. In der den Querschnitt darstellenden Figur 1 ist der zwischen
den Wandungen der Ausnehmung des Gehäuses 5 und der Mischscheibe 9 gebildete Fließkanal
zwar mit gleicher Breite dargestellt, die dem fließenden Kunststoff zur Verfügung
stehenden Querschnitte jedoch vergrößern sich mit dem radialen Abstande der jeweiligen
Bereiche von der Mittelachse. Damit steht im Extruder und noch im Eintrittskanal
6 der Schmelze ein Eintrittsquerschnitt 14 zur Verfügung, dessen Fläche wesentlich
geringer ist als die des der Schmelze zur Verfügung
stehenden Querschnittes
15 am Scheitel der Mischscheibe 9.
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Wieder wesentlich geringer ist der Austrittsquerschnitt 16, welcher
der Schmelze im Austrittskanal 7 geboten werden.
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Bei den in der Zeichnung verwendeten Abmessungen ergibt sich damit
für das Verhältnis des Eintrittsquerschnittes 14 zum Querschnitt 15 und zum Austrittsquerschnitt
16 das Verhältnis 1,7 : 2,9 : 1. D.h., der im Bereiche des Umfanges der Mischscheibe
9 der Schmelze gebotene Querschnitt ist etwa 1,7 mal größer als der Eintrittsquerschnitt
14 und 2,9 mal größer als der Austrittsquerschnitt 16. Die Schmelze aber wird nicht
nur entsprechend der Querschnittsvergrößerung im mittleren Bereich des Fließweges
verlangsamt, die Schmelze wird hierbei auch entsprechend verformt, so daß die Nachwirkungen
von im Extruder bewirkten Verformungen durch stärkeres Recken bzw. Verformen überdeckt
werden. Gleichzeitig hierbei finden Umlenkungen mit relativ geringem Krümmungsradius
statt, so daß auch hier die Masse stärker verformt wird, als dies im Extruder geschah.
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Durch entsprechendes Zurückbiegen werden dann die Auswirkungen der
entlang der Mischscheibe bewirkten Biegungen kompensiert.
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Gleichzeitig jedoch treten erhebliche Scherungen auf, da entlang der
Wandungen der Ausnehmung des Gehäuses 5 die Kunststoffschmelze im wesentlichen radial
bzw. achsparallel fließt, durch die Drehung der Scheibe aber die an deren Oberfläche
angrenzende Schmelze in radialer Bewegung mitgenommen wird. Alles in allem wird
damit erreicht, daß latente, durch Spannungen und Verformungen im Extruder bewirkte
Spannungen innerhalb der Schmelze durch diese überschreitende Längs- und Querdehnungen
sowie Verformungen gelöscht werden und die innerhalb der Einrichtung bewirkten Spannungen
durch Rückbiegung beim Erreichen des Austrittskanales weitgehend kompensiert werden
und durch gleiche aufgeprägte Beanspruchungen die Schmelze homogenisiert wird.
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Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Einrichtung ist, ebenfalls
im Querschnitt, in Fig. 2 gezeigt. In einer Ausnehmung 17 eines Gehäuses 18 ist
eine Mischscheibe 19 durch ein
gegen die Ausnehmung gespanntes Flanschstück
20 gehalten.
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Das Mittelstück dieser Scheibe ist beidseitig mit Kegelansätzen 21
ausgestattet. Die Einspannung erfolgt an einem durchlaufenden Rand, der durch schmale,
zwischen sich breite Durchbrüche 22 freilassende Stege mit dem zentralen Bereiche
verbunden ist. Die Innenseite des Flanschstückes 20 ist ihrerseits mit einer Ausnehmung
23 ausgestattet, so daß hinter den Ausnehmungen 23 eine besonders große Querschnittsfläche
24 erzielt wird, welche jene der Ausnehmungen 23 noch überschreitet.
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Nach Fig. 2 ist der Eintrittskanal ebenso groß gewählt wie der Austrittskanal,
so daß auch der Eintrittsquerschnitt 14 und der Austrittsquerschnitt 16 einander
gleichen. Wesentlich größer wiederum ist der durch die Durchbrüche 22 zur Verfügung
gestellte Querschnitt des Fließweges der Schmelze, und als noch größer erweist sich
die im Bereiche der Ausnehmung 23 erreichte Querschnittsfläche 24. Dicht hinter
dieser jedoch erfolgt eine Einengung des Querschnitts unter den Austrittsquerschnitt
herab. Hiermit wird erreicht, daß eine noch weitergehende Verformung der Schmelze
im Bereiche der Ausnehmung 23 erzielt wird, in der gleichzeitig infolge der folgenden
Einschnürung ein Druckaufbau ebenso erfolgt wie an deren Ausgang besonders hohe
Scherspannungen auftreten, welche durch die Verformung des Schmelz flusses erreicht
werden.
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Die Erfindung ist einer Anzahl von Varianten und Weiterbildungen fähig.
So können die Scherspannungen, die durch andere Flußbedingungen für wandnahe als
für wandferne Schmelzepartien erreicht werden, dadurch erhöht werden, daß die Oberfläche
der Gehäuseausnehmung und/oder der Mischscheibe relativ rauh ausgeführt bzw. vergrößert
sein kann. Dies kann durch gegen die mittlere Oberfläche geneigte Flächenelemente
erreicht werden.
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Andererseits ist es aber auch möglich, diese Oberflächen mit
in
die Schmelze eingreifenden oder diese besonders haltenden Flächenelementen auszustatten,
wie bspw. Zapfengruppen, Rippen, aber auch bspw. Sacklöchern, in welche Teile der
Schmelze eindringen und sich dort verankern.
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Als vorteilhaft erweist es sich auch, die Schmelze auf eine vorgegebene
Temperatur zu führen. Durch die verhältnismäßig großen Kontaktbereiche an der Gehäusewand,
beim Gegenstand der Fig. 2 auch mit der Mischscheibe, verbunden mit der Durchmischung
der Schmelze kann eine definierte Erwärmung ebenso herbeigeführt werden wie die
in manchen Fällen erforderliche Abkühlung auf eine definierte Temperatur, bspw.
wenn durch das Rotieren der Mischscheibe nach Fig. 1 der vom Extruder abgegebenen
Schmelze durch mechanische Arbeit zusätzlich Wärme zugeführt wird. In diesen Fällen
kann das Gehäuse mit Ausnehmungen für eine es temperierende Flüssigkeit ebenso ausgestattet
sein, wie eine Erwärmung vermittels von geregelten elektrischen Heizhandagen und
eine Abkühlung durch Kühlrippen erfolgen kann, die zur Regelung der Gehäusetemperatur
gegebenenfalls durch ein regelbares Gebläse beaufschlagt werden können.
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Ebenso ist es möglich, beide Anordnungen gemeinsam vorzusehen, um
auch größere und schwankende Temperaturabweichungen der eingehenden Schmelze ausgleichen
zu können.
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Als erheblich hat es sich noch gezeigt, daß durch die sowohl durch
scharfe Umlenkungen als auch durch Querschnittsänderungen bewirkten Scherkräfte
durchaus in der Lage sind, in die Schmelze eingebrachte Füllstoffe, Pigmente oder
dergleichen gleichmäßig zu verteilen. Diese Umformungen und die der Masse aufgegebenen
Scherkräfte sind hierbei selbst in der Lage, Häufungen, Ballungen oder kleinere
Konglomerate solcher Füllstoffe und Pigmente zu zerarbeiten und aufzuteilen, so
daß in jedem Falle eine homogene Schmelze erreicht wird, in der auch Füllstoffe,
Pigmente oder dergleichen gleichmäßig verteilt sind.
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Als wesentlich wurde erkannt, zum Zwecke der Homogenisierung die Schmelze
in ihrem Fließweg stark unterschiedliche Querschnitte durchlaufen zu lassen, wobei
die Querschnittsverhältnisse mindestens 2 : 1, besser aber 3 : 1 oder vorteilhaft
noch höher sind. Hierbei gelten die niedrigeren Werte für rotierende Mischscheiben;
bei stationären wurden Werte über 3 : 1 bis 6 : 1 als erfindungswesentlich erkannt.
Des weiteren wurde gefunden, daß zwar auch Erweiterungen von einem engen Ein-Eintritts-
auf einen großen Querschnitt förderlich sind, eine wesentlich bessere Homogenisierung
aber wird bei gleichen Flächenverhältnissen von einer Querschnittsreduktion erreicht
oder mit einer Erweiterung ard folgenden Reduktion, auf die ggf. , wie in Fig. 2
gezeigt, eine weitere Erweiterung des Fließweges folgen kann.
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