DE3332629C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Ein- oder Mehrschneckenextruder zum Pulverisieren von Polymeren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bekannt ist aus der DE-AS 12 29 709 ein Verfahren zum Erzeugen feinen Pulvers aus Polyäthylen.

Dieses Verfahren geht aus von einem Feststoff, z. B. Körnern, Blättern oder Stücken, der auf trockenem Wege durch Zerreiben pulverisiert werden soll. Durch Einwirken eines sogenannten Quetschdruckes in einem Walzenspalt werden die Feststoffe zerrieben, wobei 4 bis 6 Durchgänge durch einen beheizte Walzen aufweisenden Walzenspalt erforderlich sind. Anschließend wird das Material in einer, ebenfalls auf etwa die Walzentemperatur von 75-80°C, aufgeheizten Mühle zerrieben.

In der DE-AS 12 29 709 wird die chemisch-physikalische Erkenntnis angedeutet, daß die Molekühlketten des Polyäthylens unter Anwendung eines Quetschdruckes in einem Walzenspalt und in einem bestimmten Temperaturbereich gelockert sind (Spalte 3, Zeilen 20-25), so daß es möglich ist, Polyäthylen zu zerfasern und in ein feines Pulver überzuführen.

Dieses Verfahren hat sich aus folgenden Gründen in der Praxis nicht durchgesetzt.

Zunächst ist zu erwähnen, daß der Energieaufwand zum Zerreiben eines Materials, welches in fester Form vorliegt, beträchtlich ist, insbesondere wenn es sich um derartig zähe Materialien handelt. Darüber hinaus ist es äußerst energieaufwendig und daher unwirtschaftlich, Polyäthylen in fester Form auf eine Temperatur von 70-80°C gemäß Beispiel 1 und sogar auf 100-105°C gemäß Beispiel 2 aufzuheizen, sowohl wenn eine Temperatureinleitung durch Wärmeleitung von außen bis in das Innere der Feststoffteilchen durchgeführt wird als auch wenn die Temperatureinleitung durch Friktionserwärmung in dem Walzenspalt erfolgt. In beiden Fällen ist eine relativ lange Zeit erforderlich.

Zusammenfassend kann also gesagt werden, daß dieses Verfahren zur Pulverisierung als völlig unwirtschaftlich zu bezeichnen ist und zwar, weil

• 1. ein hoher Energieaufwand erforderlich ist, um einen Feststoff zu pulverisieren,
• 2. ein hoher Energieaufwand erforderlich ist, um einen Feststoff auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen,
• 3. ein beträchtlicher Maschinenaufwand, nämlich ein Walzwerk und eine Mühle, erforderlich sind,
• 4. das Verfahren diskontinuierlich abläuft (mehrere Durchgänge durch ein Walzwerk und durch ein Mühle),
• 5. das Verfahren sehr zeitaufwendig ist, so daß sich eine industrielle Auswertung verbietet.

Aus der DE-AS 10 90 422 ist nun ein Verfahren zum Pulverisieren von Polyolefinen bekannt, welches von einer Schmelze ausgeht. Beispielsweise Polyäthylen wird in einem diskontinuierlichen, mit Stempeldruck arbeitenden Kneter aufgeschmolzen, wobei die Wandung des Kneters und die Knetschaufeln mit Heißdampf bis auf 200°C (Beispiel 2) temperiert werden.

Danach wird schlagartig eine plötzliche Kühlung der Schmelze auf 10°C oder weniger (Beispiel 1) durchgeführt, bei gleichzeitiger Verminderung der Knetschaufeldrehzahl um ca. 50% und einer Verringerung des Stempeldrucks um ebenfalls etwa 50%.

Auch dieses diskontinuierliche Verfahren zur Pulverisierung von Polymeren muß als sehr nachteilig bezeichnet werden und konnte sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.

Hervorzuheben ist zunächst, daß ungeheuer viel Energie ungenutzt vernichtet bzw. abgeführt werden muß, um eine PE- Schmelze abzuschrecken, d. h. plötzlich von 200°C auf 10°C und weniger abzukühlen, insbesondere weil Polyäthylen sehr schlechte Wärmeleitwerte aufweist.

Es ist offensichtlich, daß eine derartige Abkühlung sehr viel Zeit benötigt und daß auch aus diesem Grund dieses Verfahren sehr unwirtschaftlich ist. Allein aufgrund dieses Sachverhalts verbietet sich ein industrieller Einsatz dieses Verfahrens ebenfalls.

Hinzu kommt, daß durch die Reduzierung der Drehzahl der Knetschaufeln auch der Pulverisierungsvorgang sehr lange dauert und daß die maschinelle Einrichtung nicht kontinuierlich gefahren werden kann.

Auf der anderen Seite ist die Fachwelt an einem als Pulver vorliegendem Polymer seit Jahren sehr stark interessiert, weil Pulverbeschichtungen beispielsweise auf Rohre als Korrosionsschutz sehr gefragt sind. Aber auch für das weite Gebiet der Pulverlacke wird in großtechnischem Maßstab ein Pulver mit gleichmäßiger Korngröße (DIN 55 990) benötigt, welches allerdings bisher ausschließlich auf eine sehr komplizierte, sehr viele Einzelmaschinen erfordernde Art gewonnen wurde.

In der Fachzeitschrift "Kunststoffe, Bd. 64 (1974), Heft 2, Seiten 54-57, wird ein Herstellungsverfahren für Kunststoff- Beschichtungspulver beschrieben. In Abbildung 1 auf Seite 55 wird die dafür eingesetzte Analge gezeigt, die aus einem Vormischer E, einer Dosiervorrichtung F, einem Zweiwellenschneckenkneter G mit Austragsgehäuse H, aus zwei Kühlwalzen I, einer Kühltrommel K, einem weiteren Brecherwalzenpaar M sowie einer weiteren Feinmühle O besteht.

In dem Zweiwellenschneckenkneter wird das Polymer aufgeschmolzen und mittels einer Breitschlitzdüse auf ein Walzwerk gegeben, das einen Quetschdruck auf das Material ausübt. Die danach angeordnete große Kühlwalze führt zu einer weiteren Kühlung. Das gekühlte Material wird dann in einen Vorzerkleinerer gefördert, der etwa chipförmige Teilchen erzeugt, die anschließend in die Mahl- und Siebeinrichtung gelungen.

Es ist offensichtlich, daß ein derartiges Herstellungsverfahren für Polymerpulver als äußerst aufwendig und unwirtschaftlich bezeichnet werden muß.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung aufzuzeigen, mittels welcher Polymere, ausgehend von einer Schmelze sehr wirtschaftlich und in einem kontinuierlichem Prozeß pulverisiert werden können. Hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit soll erreicht werden, daß für die Pulverisierung nur sehr wenig Energie einzusetzen ist und trotzdem ein hoher Ausstoß an Pulver auf kontinuierliche Weise und in einer sehr gleichmäßigen Korngröße erhalten wird. Weiterhin soll der maschinelle Aufwand für die Durchführung des Verfahrens so gering wie möglich sein.

Die Aufgabe wird gelöst durch die in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche niedergelegten Merkmale.

In überraschender und nicht zu erwartender Weise ist es der Anmelderin gelungen, die Verfahrensschritte
Aufschmelzen,
Kühlen,
Vorbrechen und
Feinmahlen
der zu pulverisierenden Polymere kontinuierlich und in einer Maschine durchzuführen.

Durch die Beheizung des Zylinders der ersten Zone, beispielsweise eines Doppelschneckenextruders und gleichzeitiger Einleitung von Scherenergie über die Antreibsenergie der Schnecken in das als Granulat oder dergleichen eingegebene Material, beispielsweise Polyäthylen, erfolgt ein Aufschmelzvorgang.

In der zweiten Zone erfolgt ein Kühlvorgang unterhalb des jeweiligen Verfestigungspunktes der Schmelze, bei dem gleichzeitig der Vorbrech- und Feinmahlvorgang durchgeführt wird.

Auch wenn Polymeren Additive zugegeben wurden, konnten hervorragende Pulverisierungsergebnisse erzielt werden. Gleichzeitig kann ein Entgasungsvorgang der Schmelze durchgeführt werden.

Da sich unmittelbar an den Aufschmelzvorgang der Kühlvorgang in dem Extruder anschließt, der das Vorbrechen und Feinmahlen, d. h. das Pulverisieren einleitet, ist das Verfahren völlig kontinuierlich durchführbar.

Bisher hat der Fachmann es sorgfältig vermieden, eine Kunststoffschmelze in einem Extruder über einen bestimmten, an der Verfestigungspunkt heranreichenden Punkt hinaus, herunterzukühlen, weil davon ausgegangen wurde, daß bei einer Verfestigung des Kunststoffes im Extruderzylinder ein Drehen der Schnecke nicht mehr möglich ist bzw. daß es sogar zu Schneckenbrücken kommt.

Die Kühlung eines Extruderzylinders wurde daher immer sehr sorgfältig durchgeführt, wobei ein zu starkes Kühlen ängstlich vermieden wurde, um einen Schneckenabriß zu vermeiden.

Es hat sich nun in überraschender Weise gezeigt, daß bei einer Kühlung einer Polymerschmelze in einem Extruder unmittelbar nach dem Aufschmelzvorgang, ein Vorbrech- und Feinmahlvorgang des Polymers, d. h. die Pulverisierung, in ein und demselben Extruder durchführbar ist, ohne daß es zu einem Schneckenabriß oder einer ähnlichen Betriebsunterbrechung kommt.

In vorteilhafter Weise, jedoch bis zu einem gewissen Grad abhängig von dem jeweiligen zu pulverisierenden Polymer, wird eine Kühlung von 1,5-100°C durchgeführt, insbesondere von 3-40°C und vorzugsweise um ca. 10°C unterhalb des jeweiligen Verfestigungspunktes bzw. des Punktes, an dem die Schmelze ihre Fließfähigkeit verliert.

Überraschender Weise zeigte sich, daß die aufzuwendende Energie für die Pulverisierung sehr gering ist im Vergleich zu dem Energiebedarf der einzelnen Maschinen gemäß üblicher Verfahren. Die Energiebilanz für den bekannten, nur für den Aufschmelzvorgang eingesetzten Doppelschneckenextruder, für das Kühlwalzwerk, das Brecherwalzwerk und die Feinmühle war erheblich höher, was offensichtlich ist.

Aber auch der Energiebedarf für den erfindungsgemäßen Extruder selbst ist geringer als erwartet, was vermutlich damit zusammenhängt, daß die zu pulverisierenden Polymere auf nur etwas weniger als ihren Verfestigungspunkt heruntergekühlt wurden, d. h. daß zum einen für den Kühlvorgang selbst nur relativ wenig Energie aufgewandt zu werden braucht und zum anderen auch für den Pulverisiervorgang selbst, da in diesem Temperaturzwischenraum vermutlich die Bindungen zwischen den Molekühlketten gelockert sind.

Ausgezeichnete Ergebnisse wurden erzielt, wenn der Pulverisiervorgang in dem Extruder bei einem Druck von 0,3 bis 0,25 MPa durchgeführt wurde.

Der für die Druchführung des Verfahrens eingesetzter Extruder wird in vorteilhafter Weise unterteilt in eine beheizte Aufschmelzzone und eine kühlbare Vorbrech- und Feinmahlzone und kann als Doppelschneckenextruder mit kämmenden, einen Selbstreinigungseffekt bewirkenden Schnecken ausgebildet sein.

Die Kühlung erfolgt durch eine intensive Zylinderkühlung, die als umlaufende Kühlsysteme ausgebildet sind. Zusätzlich kann eine Schneckenkühlung erfolgen.

Ausgezeichnete Ergebnisse hinsichtlich einer gleichmäßigen Pulverisierung wurden erreicht, beim Einsatz von auf der Schneckenwelle aufgesetzten Zweispitz- oder Dreispitzknetscheiben in der jeweiligen Kühlzone des Extruders.

Je nach der Größe der Knetscheiben, d. h. dem Abstand der jeweiligen Spitzen zur Zylinderinnenwandung, kann auch auf die Korngröße des Pulvers eingewirkt werden.

Ein Doppelschneckenextruder, der sich besonders gut für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignete, wird nachstehend näher erläutert, ohne daß die Erfindung darauf beschränkt sein soll.

Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht eines schematisiert im Längsschnitt dargestellten Doppelschneckenextruders.

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß II-II in Fig. 1.

Fig. 3 eine Draufsicht auf Fig. 2.

Fig. 4 einen Querschnitt gemäß IV-IV in Fig. 1.

Fig. 5 eine Draufsicht auf Fig. 4.

In Fig. 1 wird ein Doppelschneckenextruder gezeigt, der wie folgt aufgeteilt ist:
Aufschmelzzone 1,
Entgasungszone 2,
Kühlzone 3,
Austragszone 4.

Das zu pulverisierende Polymer wird als Granulat oder Pulver in den Einfülltrichter 5 eingegeben und durch die Schnecke 6 mit den wendelförmig darauf angeordneten Schneckenstegen 7 weitergefördert und mittels eingeleiteter Scherenergie aufgeschmolzen.

Der Aufschmelzvorgang wird unterstützt durch die Beheizung des Zylinders 8 durch darin eingebrachte Temperierkanäle 9, die über einen Zulaufsutzen 10 und einen Ablaufstutzen 11 als umlaufendes Temperiersystem betrieben werden.

Je nach dem zu verarbeitenden Material kann eine Entgasungszone 2 vorgesehen werden mit einem Entgasungsstutzen 12, an dem ein Unterdruck erzeugendes System angeschlossen wird, um beispielsweise Feuchtigkeit, Restmonomere oder dergleichen abzuziehen.

Kühlzone 3 weist im Zylinder 8 Kühlkanäle 13 auf, die über einen Zulaufstutzen 14 und einen Ablaufstutzen 15 mit einem flüssigen Kühlmedium, beispielsweise Wasser, gespeist und einen umlaufenden Transport eines Kühlmediums gewährleisten, so daß eine gute Kühlleistung erzielbar ist.

In der Kühlzone 3 werden die Schnecken 6 durch ein Bohrungssystem 16 gekühlt, welches eine Umlaufkühlung ermöglicht.

Auf den Schnecken sind in der Kühlzone 3 Zweispitzknetscheiben oder Dreispitzknetscheiben 17 angeordnet, und zwar jeweils gruppenweise 17a, b und c zusammengefaßt. Zwischen den einzelnen Knetscheibengruppen sind Förderschneckenteile 18 angeordnet, die das pulverisierte Material weiterfördern.

Austragszone 4 weist ein weiteres Förderschneckenteil 19 auf, welches das Pulver aus dem Extruder fördert.

In Fig. 2 werden sogenannte Zweispitzscheiben 21 im Querschnitt gezeigt, die auf der Schneckenwelle 20 mittels Paßfedern 22 verdrehsicher aufgesetzt werden.

Zweispitzscheiben 21 sind jeweils versetzt hintereinander angeordnet, so daß die Spitzen der Scheiben eine wendelförmige Linie um den Schneckenkern bilden. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß zunächst zwischen den Spitzen 21a und der gekühlten Zylinderinnenwand 8 das Material einem Zerreibungsvorgang unterworfen wird und danach ein Fördervorgang in Längsrichtung durch die umfangsmäßig versetzte Anordnung der Spitzen 21a stattfindet.

Das Pulver wird dabei in Querrichtung zusätzlich noch weitergegeben von der einen Schnecke zur benachbarten Schnecke, wie angedeutet durch Pfeile 23.

In Fig. 4 und 5 werden Dreispitzscheiben gezeigt, die jweils einen dreifachen Zerreibungsvorgang zwischen dem gekühlten Zylinder 8 und den Spitzen 24 durchführen.

Wie ersichtlich aus Fig. 4 sind auch die Dreispitzknetscheiben 24 jeweils umfangsmäßig versetzt hintereinander angeordnet, so daß eine Förderung des pulverisierten Materials in Längsrichtung, angedeutet durch Pfeile 25 in Fig. 5, stattfindet.

Bei einem erfolgreichen Betrieb der in Fig. 1 gezeigten Anlage, wurden folgende Maschinendaten eingehalten bei der Pulverisierung von Polyäthylen:

Temperatur in der Aufschmelzzone 1
ca. 140-150°C
Temperatur in der Entgasungszone 2	ca. 140°C
Temperatur in der Kühlzone 3 bei der @	ersten Knetscheibengruppe 17a	70-90°
zweiten Knetscheibengruppe 17b	50-70°C
dritten Knetscheibengruppe 17c	20-30°C

Der Druck in der Pulverisierungszone betrug 0,25-0,3 MPa.

Das zu pulverisierende Polyäthylen wies einen Schmelzindex von 0,3-7 auf und wurde auf einem Doppelschneckenextruder mit einem Schneckendurchmesser von 53 mm und einer Schneckenlänge von 28 D (D=Schneckendurchmesser) pulverisiert, wobei ein Ausstoß von 40-50 kg/h erzielt wurde.

Bei einer Analyse des Polyäthylenpulvers ergab sich, daß der Anteil der Pulverteilchen, die größer als 160 µm waren, nur 2% betrug.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Pulvers aus Polymeren, wobei die Polymere in einem Doppelschneckenextruder aufgeschmolzen, auf einem Kühlwalzwerk gekühlt, in einem Brecherwalzwerk vorgebrochen und in einer Feinmühle gemahlen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensschritte
Aufschmelzen,
Kühlen,
Vorbrechen und
Feinmahlen
der zu pulverisierenden Polymere kontinuierlich in einem heiz- und kühlbaren, in mehrere Zonen unterteilten Ein- oder Mehrschneckenextruder durchgeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Zone des Ein- oder Mehrschneckenextruders die Aufschmelzung der Polymere und in der zweiten Zone die Kühlung unterhalb des jeweiligen Verfestigungspunktes unter gleichzeitiger Durchführung des Vorbrech- und Feinmahlvorganges durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung der Polymerschmelze in dem Ein- oder Mehrschneckenextruder bei einer Temperatur von 1,5-100°C, insbesondere von 3-40°C und vorzugsweise von ca. 10°C, unterhalb des jeweiligen Verfestigungspunktes der Schmelze, an dem sie ihre Fließfähigkeit verliert, durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbrechung und Feinmahlung des Polymeres bei einem Druck von 0,3-0,25 MPa in einer gekühlten Zone des Ein- oder Mehrschneckenextruders durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Polymeren Additive zugegeben werden.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polymere nach dem Aufschmelzvorgang entgast werden.

7. Ein- oder Mehrschneckenextruder für die Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder unterteilt ist in eine beheizbare Aufschmelzzone (1) und in eine kühlbare Vorbrech- und Feinmahlzone (3).

8. Ein- oder Mehrschneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder als Doppelschneckenextruder mit kämmenden, einen Selbstreinigungseffekt bewirkenden Schnecken (6) ausgebildet ist.

9. Ein- oder Mehrschneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneche(n) (6) in der Vorbrech- und Feinmahlzone (3) mit Zweispitz- oder Dreispitzknetscheiben (21, 24) ausgerüstet sind.

10. Ein- oder Mehrschneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (21a, 24) der Scheiben jeweils förderwirksam versetzt zueinander eine wendelförmige Linie um den Schneckenkern bechreibend, ausgerichtet sind.

11. Ein- oder Mehrschneckenextruder nach den Ansprüchen 7, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Spitzen der Zweispitz- oder Dreispitzknetscheiben (21, 24) und der Zylinderinnenwandung einstellbar durch Auswechseln der Knetscheiben ausgebildet ist.

12. Ein- oder Mehrschneckenextruder nach den Ansprüchen 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Knetscheiben abgeflacht und der Rundung des Innenmantels des Zylinders (8) angepaßt ausgebildet sind.