DE3502019C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung des Druckes einer thermoplastischen Schmelze - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung des Druckes einer thermoplastischen Schmelze, die zu Formkörpern extrudiert wird, unmittelbar vor der Extrusion, wobei das Schmelzevolumen durch Druckkompensation in Abhängig­ keit vom Schmelzedruck durch Beaufschlagen mit einem Gegendruck so verändert wird, daß der Schmelzedruck am Auslaß einer nachgeschalteten Extrusionsdüse konstantgehalten wird, sowie eine Vorrichtung hierfür.

Bei der Herstellung von flachen und schlauchförmigen Folien aus thermoplastischen Kunststoffen nach dem Extrusionsverfahren ist es aus Gründen der Dickengleich­ mäßigkeit der fertigen Folie und im Hinblick auf die Laufsicherheit der Folien wäh­ rend des Folienherstellungsprozesses notwendig, den Druck der Schmelze in­ nerhalb der Extrusionsdüse möglichst konstant auf einem bestimmten Niveau zu halten. Druckschwankungen, insbesondere periodische, treten vor allem dann auf, wenn innerhalb der Schmelze Temperaturungleichmäßigkeiten und, damit einherge­ hend, Veränderungen der Viskosität beobachtet werden. Es wird daher versucht, die Temperaturführung der Kunststoffschmelze während der Extrusion durch entsprechend ausgelegte Extruderschnecken sowie durch in der Extruderbuchse angebrachte Nuten gleichmäßiger zu gestalten. Dennoch entstehen trotz dieser Maßnahmen immer noch Druckpulsationen, die zu unerwünschten Problemen an der fertigen Folie sowie während des Folienherstellungsprozesses führen.

Aus dem Gebrauchsmuster DE 82 27 606 U1 ist eine Druckregelung in einem Schneckenextruder bekannt, bei der ein Sollwert zur Vorgabe eines gewünschten Förderdruckes mit einem von einer Druckmeßeinrichtung gelieferten Istwert ver­ glichen wird, und der Antrieb der Förderschnecke so geregelt wird, daß der vor­ gegebene Sollwert des Förderdruckes erreicht wird. Hierbei handelt es sich um eine herkömmliche Soll-Ist-Druckregelung, bei der die Drehzahl der Schnecke des Extruders entsprechend der Differenz zwischen Ist- und Sollwert so lange geregelt wird, bis eine Angleichung des Ist- an den Sollwert erreicht ist.

In der FR 1.423.892 sind eine Mischdüse für zwei Komponenten und ein Regler, bestehend aus einem Ventil und einer Membran, beschrieben, wobei die Membran verstellbar ist. Eine Durchgangsöffnung zwischen einem Ventilsitz und dem Ventil­ körper wird so geregelt, daß die Größe der Durchgangsöffnung umgekehrt propor­ tional zu dem Eingangsdruck des Reglers ist. Dadurch bleibt der Mengendurchsatz durch den Regler in etwa konstant, da bei großem Eingangsdruck die Durchgangs- Öffnung verkleinert und bei kleinem Eingangsdruck vergrößert wird.

Desweiteren ist eine Druckregelvorrichtung zwischen einem Extruder und einer Formvorrichtung aus den Dokumenten DE 17 78 683 B2 und DE 20 58 497 B2 bekannt, wobei in einer Verbindungsleitung von Extruder und Formvorrichtung eine Membran angeordnet ist, die ein- bzw. beidseitig mit unterschiedlichen Gasdrücken beaufschlagbar ist. In der Verbindungsleitung befinden sich ein Drucksteuerventil und eine Druckmeßsonde. Das Drucksteuerventil hat einen Steuerkolben, der durch den Druck in der Verbindungsleitung betätigt wird und dessen Bewegung auf die Membran übertragen wird. Für die Druckbeaufschlagung der Membran sind zwei Zuleitungen vorgesehen, die jeweils an eine eigene oder an eine gemeinsame Druckgasquelle angeschlossen sind. In jeder Zuleitung ist ein Druckminderventil angeordnet, das mit der Druckmeßsonde verbunden ist. Es wird jeweils nur ein Strömungsdurchlaß von einer der beiden Zuleitungen offengehalten, wobei die Druckminderventile auf unterschiedliche Gasdrücke eingestellt sind.

Es wurde auch schon versucht, einem Extruder Schmelzemischer nachzuschalten, um eine noch gleichmäßigere Temperatur der Schmelze zu erzielen. Der Nachteil hierbei ist jedoch, daß an diesen Schmelzemischern ein insgesamt zu hoher Druckverlust entsteht.

Ausgehend von den geschilderten Problemen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu entwickeln, mit denen es möglich ist, den Druck einer Kunststoffschmelze unabhängig von innerhalb der Schmelze auftretenden Temperaturunterschieden konstant auf einem bestimmten vorgegebenen Niveau zu halten, mit dem insbesondere kurzfristige, periodische Druckveränderungen wirkungsvoll ausgeschaltet, mit dem aber auch darüber hinaus innerhalb kurzer Zeit sich aufbauende, länger anhaltende Druckveränderungen wirksam ausgeglichen werden können.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung in der Weise, daß zur Druckkompensation ein Druckkompensationselement mit einem Außenmantel, einem Membranrohr und einem Gegendruckhohlraum ver­ wendet wird.

Das Schmelzevolumen ist bei den üblicherweise für die Extrusion von thermoplasti­ schen Kunststoffen verwendeten Vorrichtungen vorgegeben durch die Strecke, beginnend mit der Schmelzeleitung am Ausgang des Plastifizierungsextruders, gegebenenfalls umfassend eine Filtervorrichtung und endend mit dem Auslaß für die Schmelze an der Öffnung der Extrusionsdüse. Der Auslaß für die Schmelze kann bei Extrusionsdüsen für die Folienherstellung die Form eines länglichen Schlitzes aufweisen oder ringför­ mig sein, für die Herstellung von Fäden ist der Auslaß punktförmig. Der Schmelzedruck nimmt vom Ausgang des Plastifizierungsextruders zum Auslaß der Schmelze an der Extrusionsdüse hin kontinuierlich ab. Es wurde nun ge­ funden, daß das Schmelzevolumen in vorteilhafter Weise verändert werden kann, indem ein Gegendruck gegen den Schmelzedruck, insbesondere ein Federdruck oder ein Gas- oder Flüssigkeitsdruck, angelegt wird. Der Gegendruck bewirkt, daß der Schmelzedruck am Auslaß für die Schmel­ ze an der Extrusionsdüse stets konstant bleibt. Wenn der Schmelzedruck innerhalb des Schmelzevolumens ansteigt, weicht der Gegendruck zurück, und das Schmelzevolumen wird größer; wenn der Schmelzedruck innerhalb des Schmelzevolumens abfällt, rückt der Gegendruck nach und bewirkt dadurch eine Verringerung des Schmelzevolumens an der Stelle des Druckabfalls.

Die in der Schmelze auftretenden Druckveränderungen wer­ den normalerweise in Zeitintervallen im Bereich von 2 bis 5 sec beobachtet, sie können sich allerdings in Ex­ tremfällen auch bis auf 20 bis 25 sec ausdehnen. In den genannten Zeitintervallen treten üblicherweise Druckdif­ ferenzen im Bereich von 2 bis 5 bar auf, die allerdings in Extremfällen auch bis zu 10 bis 15 bar reichen kön­ nen. Die genannten Zahlenwerte sind abhängig von der Größe des Schmelzevolumens und der Schmelzedurchsatz­ menge.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich mit einer Extrusionsanlage gemäß Patentanspruch 1 durchführen, bei der zwischen dem Plastifizierungsextruder sowie einem gegebenenfalls nachgeschalteten Filterelement und der Extrusionsdüse ein Druckkompensationselement zwischengeschaltet ist. Das Druckkompensationselement besitzt einen Schmelzeeinlaß und einen Schmelzeauslaß und es besteht im wesentlichen aus einem Membranrohr. Unter dem Begriff Membranrohr ist ein Rohrkörper zu verstehen, der elastische Wandungen besitzt und der infolgedessen befähigt ist, sein Volumen durch Formänderungen des Querschnitts oder des Außenumfangs in Abhängigkeit von Druckveränderungen des in ihm befindlichen Mediums zu verändern, ohne daß seine Lage innerhalb des Gesamtsystems verändert wird. Die Formänderungen können entweder aufgrund der gegen den Schmelzedruck wirkenden Federkraft des Membranrohrs selbst oder in bevorzugter Ausgestaltung durch einen von außen auf das Membranrohr zur Wirkung kom­ menden Gegendruck eines gasförmigen oder flüssigen Mediums bewirkt werden.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 5 besteht das Druckkompensationselement aus einem Membranrohr aus Stahl mit Federeigenschaften, das einen ovalen Querschnitt und eine Wanddicke im Bereich von 0,05 bis 1,2 mm, bevorzugt von 0,3 bis 0,8 mm, aufweist. Eine weitere Ausgestaltung betrifft nach Patentanspruch 6 die Regelung des auf das Membranrohr aufgebrachten Gegendruckes.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze zur Darstellung des er­ findungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Kompensationselement.

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze zu dem als Ausführungs­ beispiel beschriebenen Modellversuch.

In Fig. 1 ist ein Extruder 1 darge­ stellt, in dem das thermoplastische Kunststoffmaterial in schmelzeflüssigen Zustand überführt wird. Über eine Schmelzeleitung 5 gelangt die Schmelze in ein Filterele­ ment 2. Nach dem Filterelement 2 ist das Kompensations­ element 4 angeordnet, umfassend einen Außenmantel, ein Membranrohr 6 und einen Gegendruckhohlraum 7. Dem Kompensa­ tionselement 4 nachgeschaltet ist die Extrusionsdüse 3. Ferner dargestellt sind in Fig. 1 Druckmeßgeräte 8 und 9 sowie ein Regler 10, der über ein Ventil 11 den Gas­ gegendruck im Gegendruckraum 7 einstellt.

In Fig. 2 ist ein senkrechter Querschnitt durch ein Kompensationselement dargestellt, in dem das Membranrohr 6 mit ovalem Querschnitt zu erkennen ist, sowie der Ge­ gendruckraum 7, der mit der Gasdruckleitung 12 in direk­ ter Verbindung steht, sowie die Außenummantelung.

Beispiel

Es wurde ein Modellversuch durchgeführt, bei dem mit einer Pumpe P in einem Flüssigkeitskreislauf einer Flüs­ sigkeit mit einer Viskosität, vergleichbar mit derjeni­ gen einer Kunststoffschmelze, Druckschwankungen indu­ ziert wurden. Ferner befand sich in dem Kreislauf ein über ein verschließbares Abzweigventil A zuschaltbarer Membranbehälter M, in dem über eine Druckmembran aus einer Druckgasflasche ein Gegendruck auf die Flüssigkeit ausgeübt werden konnte. Es waren zwei Meßpunkte für die Druckschwankungen in der Flüssigkeit vorhanden, M₁ un­ mittelbar an der Stelle des Kreislaufs, an der von der Pumpe die Druckschwankungen erzeugt wurden, und M₂ an einer Stelle zwischen dem verschließbaren Abzweigventil A und einem Filterelement F. Die gemessenen Druck­ schwankungen konnten in einem Schreiber S ausgewertet und aufgezeichnet werden.

In der folgenden Tabelle sind die Meßergebnisse des Ver­ suchs zusammengestellt, die Druckschwankungen lagen zeitlich etwa bei 1 sec.

Der Versuch zeigt, daß bei Einwirkung eines Gegendrucks auf die Flüssigkeit die Druckschwankungen innerhalb der Flüssigkeit praktisch vollständig verschwinden, während sie ohne den Gegendruck deutlich beobachtet werden.

Claims (6)

1. Verfahren zur Stabilisierung des Druckes einer thermoplastischen Schmel­ ze, die zu Formkörpern extrudiert wird, unmittelbar vor der Extrusion, wobei das Schmelzevolumen durch Druckkompensation in Abhängigkeit vom Schmelzedruck durch Beaufschlagen mit einem Gegendruck so verändert wird, daß der Schmelze­ druck am Auslaß einer nachgeschalteten Extrusionsdüse konstantgehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Druckkompensation ein Druckkompensations­ element (4) mit einem Außenmantel, einem Membranrohr (6) und einem Gegen­ druckhohlraum (7) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegendruck in dem Druck­ kompensationselement ein Feder-, Flüssigkeits- oder Gasdruck angelegt wird, der in Zeitintervallen von 2 bis 25 sec auftretende Druckdifferenzen von 2 bis 15 bar des Schmelzedrucks ausgleicht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegendruck in Zeitintervallen von 2 bis 20 sec auftretende Druckdifferenzen von 2 bis 10 bar ausgleicht.

4. Extrusionsanlage mit einem Extruder (1), einem Filterelement (2), einer Extrusionsdüse (3) und mit einer Vorrichtung zur Stabilisierung des Druckes einer thermoplastischen Schmelze mittels eines Druckkompensationselements außerhalb der Extrusionsdüse, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckkompensationsele­ ment (4) zwischen das Filterelement (2) und die Extrusionsdüse (3) geschaltet ist und ein Membranrohr (6) einen zylindrischen Gegendruckhohlraum (7) umfaßt, den ein Außenmantel des Druckkompensationselements (4) umschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Membranrohr (6) ovalen Querschnitt besitzt und aus elastischem Stahl mit einer Wanddicke von 0,05 bis 1,2 mm, insbesondere 0,2 bis 0,8 mm, besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Gegendruck­ hohlraum (7) mit einem Regelkreislauf aus Gasdruck­ leitung (12), Regelventil (11), Regler (10) und Druckmeßgerät (8 bzw. 9) zur Regelung des auf das Membranrohr (6) aufgebrachten Gegendruckes verbunden ist.