DE3630208A1 - Verfahren und vorrichtung zum zubereiten extrudierfaehiger, thermoplastischer materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zubereiten extrudierfähiger, thermoplastischer Materialien aus polymerisierten Feststoffen in einem Extruder. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit einer Extruderschnecke und einem an dieser vorgesehenen Schneckensteg vorgegebenen Außendurchmessers.

Die weite Verbreitung von Folien oder Filmen aus linearem Polyäthylen geringer Dichte (LLDPE) beruht in erster Linie auf dessen niedrigen Kosten und guten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise Reißfestigkeit, Durchschlagfestigkeit, Zugfestigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber unter Umgebungsbedingungen auftretenden Spannungsrissen. Der Zuwachs an LLDPE-Harz rührt hauptsächlich von der Ersetzung der Polyolefin-Harze her, insbesondere Polyäthylen geringer Dichte (LDPE).

Die Umwandlung von LDPE-Extruderanlagen in LLDPE-Extruderanlagen ist kein leichtes Vorhaben. LDPE-Schnecken erfordern bei ihrem Einsatz zur Extrusion von LLDPE ein höheres Drehmoment und eine höhere Leistung, wie sie bei den meisten LDPE-Blasfolien-Extruderantrieben geliefert werden. Dies macht es erforderlich, die LDPE-Extruderantriebe mit Getrieben anderer Übersetzungsverhältnisse zu versehen oder sie mit einem kräftigeren Antrieb auszustatten. Die mit neuen Getrieben versehenen oder ganz neu angebrachten Extruderantriebe zeigen eine Tendenz zur Erzeugung von viel höheren Schmelztemperaturen, als sie beim Folienblasen verlangt werden. Dies geht zurück auf den Unterschied in der Scherrheologie von LLDPE im Vergleich mit LDPE. LLDPE ist im Bereich der Extruderschubzahlen zäher als LDPE. Infolgedessen benötigt es zu seiner Extrusion mehr Energie. Diese Energie schlägt sich selbst wiederum als höhere Wärme nieder, die ihrerseits höhere Temperaturen verursacht.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Extruderschnecke zu entwickeln, die alle thermoplastischen Materialien bei gleichförmigem Druck bei einer niedrigeren und leichter zu kontrollierenden Schmelztemperatur schmilzt und dabei weniger Energie verbraucht.

Die Extruder, wie sie für LDPE gegenwärtig eingesetzt werden, haben an einem Ende eines Zylinders eine langgestreckte Öffnung. Der Zylinder kann entlang seiner Längserstreckung an besonderen Stellen erwärmt oder gekühlt werden. Im Zylinder ist eine Extruderschnecke angeordnet, welche die gesamte Längserstreckung des Zylinders durchläuft. Die Schnecke weist an ihrer Oberfläche einen schraubenförmigen Gewinde- oder Schneckensteg auf, der dicht an der Innenseite des Zylinders anliegt. Die Schnecke rotiert um ihre Längsachse, bearbeitet das Plastikmaterial und drückt es zur Auslaßseite des Extruders hin.

Gewöhnlich hat eine Extruderschnecke mehrere Abschnitte, beispielsweise einen Dosierabschnitt, einen Vorschubabschnitt und einen Übergangsabschnitt. Der Vorschubabschnitt wird meist unter der Öffnung eines Trichters vorgesehen, welcher das in eine Extrusionsvorrichtung zu extrudierende Polymerisat zuführt. Der Vorschubabschnitt erstreckt sich normalerweise in den Zylinder des Extruders hinein. Der Schnecken- oder Schneckenkerndurchmesser im Vorschubabschnitt ist gewöhnlich der kleinste Durchmesser der Schnecke. Dies ermöglicht es, daß der Vorschubabschnitt große Mengen an Polymerisatpulver oder Granulat in den Extruder hineinzieht, und dieses Material in den vorderen Schneckenabschnitten komprimiert wird. Diese Überfüllung ist im Hinblick auf den optimalen Wirkungsgrad des Extruders an sich erwünscht. Dabei ist der Raum zwischen zwei benachbarten Schneckenstegen vollständig mit Material angefüllt, wobei eine möglichst kleine Anzahl von Leerstellen vorliegen.

Bei einer bekannten Extruderschnecke folgt auf den Vorschubabschnitt ein Übergangsabschnitt. Im Übergangsabschnitt wächst der Kerndurchmesser, so daß das Volumen des Raumes abnimmt, der für die Aufnahme des Polymerisats zur Verfügung steht. Hierdurch wird das Polymerisat komprimiert.

An den Übergangsabschnitt schließt sich ein Dosierabschnitt mit konstantem Kerndurchmesser an. Ein großer Teil der Scherbearbeitung und des Aufschmelzen des Polymerisats erfolgt im Übergangsabschnitt, wenn sich das Polymerisat entlang der Schnecke vorbewegt.

Die Scherbearbeitung des Materials, wenn dieses sich entlang der Extruderschnecke durch den Zylinder vorschiebt, erzeugt Wärme und schmilzt das Polymerisat. Das Aufschmelzen findet hauptsächlich an der Oberfläche des Zylinders statt. Wenn das Polymerisat aufschmilzt und der Schneckensteg hinter dem Polymerisat sich nach vorne bewegt, fließt das geschmolzene Polymerisat an der Fläche des Schneckensteges nach unten, entlang dem Schneckenkern nach vorne und an der Rückseite des vorderen Steges nach oben. Dies führt manchmal dazu, daß eine Tasche aus Polymerisatfeststoff innerhalb des geschmolzenen Polymerisatanteils eingekapselt wird, der um denjenigen Umfang herumfließt, der von zwei benachbarten Stegen, der Schneckenfläche und der Zylinderfläche gebildet wird.

Die herkömmlichen Extruderschnecken mit Vorschub-, Übergangs- und Dosierabschnitten wurden so konstruiert, daß sie sich generell für die Extrusion aller thermoplastischen Materialien eignen. Wenn jedoch der gleiche Typ einer Extruderschnecke bei LLDPE eingesetzt wird, nehmen der Energieverbrauch und die Ausgangstemperaturen zu, während der maximale Ausstoß oder Durchsatz des Extruders abnimmt. Um den Wirkungsgrad des Extruders zu verbessern, ohne dabei eine Änderung des Getriebes vorsehen zu müssen, wurde eine Schnecke mit zwei Übergangsabschnitten und zwei Dosierabschnitten entwickelt. Die US-PS 43 57 291 zeigt eine solche Schnecke. Diese Schnecke vermittelt einen getrennten Kompressions- und Dosierabschnitt; jedoch wird dabei ein ordnungsgemäßes und vollständiges Aufschmelzen nicht gewährleistet, wenn eine Schicht an Feststoffen eingekapselt wird.

Erfindungsgemäß wird daher eine Extruderschnecke mit einem Sperrstegteil vorgeschlagen. Der Sperrsteg unterstützt den Extrusionsprozeß dadurch, daß er den bereits geschmolzenen Anteil des Polymerisats von den noch in Form von Feststoffen vorliegenden Anteilen abtrennt. Somit verbleiben Feststoffanteile, welche weiterbearbeitet und zum Zwecke ihrer Aufschmelzung erhitzt werden.

Erfindungsgemäß werden also ein Verfahren und eine Extruderschnecke vorgeschlagen, wobei ein Kompressionsabschnitt vorgesehen ist, der das Polymerisat veranlaßt, sich in einen geschmolzenen Anteil und in einen noch festen Anteil zu trennen. Gleichzeitig reduziert eine erfindungsgemäße Extruderschnecke den Energieverbrauch des Extruders im Vergleich mit bekannten Extrudern, wobei jedoch der Durchsatz gleich bleibt oder sich erhöht.

Die erfindungsgemäße Extruderschnecke weist einen Vorschubabschnitt auf, dem ein mehrstufiger Kompressionsabschnitt zugeordnet ist. An den Kompressionsabschnitt schließt sich ein Dosierabschnitt an. Der Kompressionsabschnitt weist drei Teile auf, nämlich zwei Übergangsteile und einem dazwischen angeordneten Sperrstegteil. Der Sperrstegteil umfaßt zwei Schneckenstege, nämlich einen Hauptsteg und einen Sperr- oder Vorschubsteg. Der Sperrsteg beginnt im Hauptsteg und trennt sich dann von diesem. Anschließend liegt der Sperrsteg zwischen dem Hauptsteg und dem Steg vor dem Hauptsteg. Die Position des Sperrsteges relativ zu den beiden ihn umgebenden Stegen ändert sich von Ort zu Ort entlang der Schnecke. Die Position ändert sich derart, daß sich der Sperrsteg nach vorne vom Hauptsteg weg verschiebt, bis er sich mit dem vorneliegenden Hauptsteg verbindet und in diesen einläuft.

Der Sperrsteg ist nicht so hoch wie der Hauptsteg. Infolgedessen verbleibt ein Spalt zwischen dem Zylinder und dem Sperrsteg. Der geschmolzene Polymerisatanteil fließt über den Sperrsteg zurück, während der Feststoffanteil zwischen dem Sperrsteg und dem vorderen Steg verbleibt. Hierdurch findet eine Separierung des geschmolzenen Anteils von den noch verbleibenden Feststoffen statt und eine unerwünschte Einkapselung der Feststoffe ist verhindert. Der Sperrsteg dient ferner dazu, die Feststoffe zu komprimieren, und zwar selbst dann, wenn bei einer Ausführungsform der Erfindung der Kerndurchmesser der Schnecke im Sperrstegteil tatsächlich abnimmt. Dies dient dazu, die Schmelze vom Feststoff abzutrennen und unerwünschte Leerstellen im Feststoffteil auszuschalten, was deswegen wichtig ist, weil diese Leerstellen die Feststoffe daran hindern, in ordnungsgemäßer Weise bearbeitet zu werden. Dies wiederum führt letztenendes zu einer verbesserten Mischung und einem rascheren Aufschmelzen des Polymerisats, und zwar ohne übermäßige Schmelztemperatur oder einen übermäßigen Anstieg des Energieverbrauchs.

Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Extruderschnecke;

Fig. 2 eine vergrößerte und teilweise abgebrochene Ansicht der Schnecke aus Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer abgewandelten Ausführungsform einer Extruderschnecke;

Fig. 4 eine vergrößerte und teilweise abgebrochene Ansicht der Schnecke aus Fig. 3;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Schmelztemperatur in Abhängigkeit vom Kopfdruck bei einer an sich bekannten und einer erfindungsgemäßen, mit 40 U/min umlaufenden Schnecke und

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Leistungsausganges bei einer erfindungsgemäßen Schnecke im Vergleich mit einer an sich bekannten Schnecke, wobei die Schnecken mit 40 U/min umlaufen.

Eine Extruderschnecke 1 umfaßt einen Schneckenkörper mit unterschiedlichen Kerndurchmessern, die Schnecke 1 läuft in einem in Fig. 1 lediglich schematisch angedeuteten Zylinder um. Die Schnecke 1 weist einen Vorschubabschnitt 2, einen Kompressionsabschnitt 3, einen Dosierabschnitt 4 und eine Mischkopf 6 auf.

Die Schnecke 1 weist einen schraubenförmigen Schneckensteg 5 auf, der einen Gewindegang begrenzt. Der Schneckensteg 5 ist von konstanter Steigung und hat einen konstanten Außendurchmesser. Der Steg 5 endet am Mischkopf 6, der von an sich bekannter Art sein kann. Im Vorschubabschnitt 2 ist der Schneckenkerndurchmesser am kleinsten. Hierdurch entsteht eine weite Zone, die durch den Schraubenkern, die beiden benachbarten Schneckenstegwindungen und die Innenseite des Zylinders bestimmt ist. Wie oben beschrieben, ist der Vorschubabschnitt 2 so konstruiert, daß er Pulver oder Pellets aus Polymerisat zum Zwecke der Extrusion aufnimmt. Wenn das Polymerisat den Vorschubabschnitt 2 entlangläuft, wird es durch die Reibung und Abscherung bearbeitet, welche durch die Relativbewegung zwischen Polymerisat, Schnecke und Zylinder verursacht wird. Diese Bearbeitung erzeugt Wärme, welche die Feststoffe zu erweichen und zu schmelzen beginnt.

Das Polymerisat gelangt hierauf in den Kompressionsabschnitt 3 der Schnecke. Der erste Teil des Kompressionsabschnitts 3 ist ein Übergangsteil 7. Dieser Übergangsteil weist einen variablen Kerndurchmesser auf, der in Richtung des Polymerisatstroms zunimmt. Der Übergangsteil 7 hat eine Länge, die etwa einer halben Windung oder mehr des Schneckenstegs entspricht. Der Kerndurchmesser nimmt in seiner Größe zu und komprimiert hierdurch das Polymerisat etwas, wenn es nunmehr in einen Sperrstegteil 8 eintritt.

Der Sperrstegteil beginnt mit einem einzigen Hauptsteg 9. Ein zweiter, sogenannter Sperrsteg 10 trennt sich vom Hauptsteg 9 ab und liegt zwischen zwei benachbarten Windungen des Hauptsteges 9. Der Sperrsteg 10 hat einen geringfügig kleineren Außendurchmesser als der Hauptsteg 9 sowie eine unterschiedliche Steigung oder Ganghöhe. Die Steigung des Sperrsteges 10 bewirkt, daß der Steg sich entlang der Längsachse der Schnecke pro Windung weiter verschiebt als der Hauptsteg 9. Dies ermöglicht es dem bereits geschmolzenen Anteil des Polymerisats über die Sperre zu fließen, so daß es im Raum hinter dem Sperrsteg 10 enthalten ist. Die Steigung des Sperrsteges ist derart, daß sich seine Position zwischen den beiden benachbarten Windungen des Hauptsteges 9 konstant in Richtung auf die vordere der beiden Hauptstegwindungen verschiebt. Dies ist die Ursache dafür, daß der Raum, welcher die Feststoffe enthält, schrumpft, während der den geschmolzenen Anteil enthaltende Raum zunimmt, wodurch die Schmelze vom Feststoff getrennt und Leerstellen in den Feststoffen, die sonst auftreten könnten, vermieden werden. Dies gewährleistet, daß der geschmolzene Anteil in eine Lage hinter dem Sperrsteg fließt und den Feststoffanteil abgetrennt und unverkapselt beläßt. Da die Feststoffe nicht eingekapselt sind, werden sie in stärkerem Ausmaß bearbeitet, was wiederum mehr geschmolzenen Anteil an Polymerisat schafft, der über den Sperrsteg 10 in den Raum 11 hinter diesen Steg strömt. Wenn irgendwelche polymerisierten Feststoffe in fester Form über den Sperrsteg gedrückt werden, erfahren sie intensive Scherkräfte, welche durch die Relativbewegung zwischen dem Sperrsteg 10 und dem Zylinder verursacht sind. Hierdurch ist gewährleistet, daß alles Polymerisat aufgeschmolzen ist, wenn es den Raum 11 erreicht.

Am Ende des Sperrstegteils 8 vereinigt sich der Sperrsteg 10 wiederum mit dem vor ihm liegenden Hauptsteg 9, und der Raum 11 wird zum Raum vor dem Hauptsteg zwischen zwei benachbarten Windungen dieses Steges. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schneckenkerndurchmesser über die Länge des Sperrstegteils hinweg konstant. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung jedoch (Fig. 3 und 4) nimmt der Kerndurchmesser ab und ermöglicht es dem Sperrsteg, sich über seinen Laufweg hinweg schneller zu bewegen, wodurch Schmelze über eine kürzere Distanz vermittelt wird.

Der letzte Teil des Kompressionsabschnitts 3 ist ein zweiter Übergangsteil 12. Dieser Teil 12 ist dem ersten Übergangsteil 7 ähnlich. Jedoch wächst in diesem Teil der variable Kerndurchmesser auf seinen endgültigen, größten Kerndurchmesserwert. Das Maß, mit dem der Kerndurchmesser im zweiten Übergangsteil 12 wächst, kann größer als im ersten Übergangsteil 7 sein. Dies trifft insbesondere für die abgewandelte Ausführungsform zu, bei welcher der Kerndurchmesser entlang dem Sperrstegteil tatsächlich abnimmt.

Der letzte Abschnitt der Schnecke ist der Dosierabschnitt 4, der einen konstanten oder einen leicht zunehmenden Kerndurchmesser aufweisen kann. Die Extruderschnecke endet schließlich ein einem gemeinsamen Mischkopf 6.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die Extruderschnecke einen Durchmesser von etwa 63 mm. Das Verhältnis Schneckenlänge zu Durchmesser beträgt 30:1. Es gelangt eine gewöhnliche Extrudervorrichtung zur Anwendung mit einem Gleichstrom-Antriebsmotor von etwa 37 kW, der unter Zwischenschaltung eines Getriebes eine maximale Antriebsgeschwindigkeit für die Schnecke von 65 U/min liefert. Der Vorschubabschnitt ist neun Schneckengänge lang; der erste Übergangsteil ist drei Schneckengänge lang; der Sperrstegteil ist sieben Schneckenstege lang, wobei der Sperrsteg selbst nur sechs Schneckengänge aufweist; der zweite Übergangsteil ist zwei Schneckengänge lang; der Dosierabschnitt ist sieben Schneckengänge lang und der Mischkopf ist zwei Schneckengänge lang.

Alternativ kann die Schnecke auch ein Längen-Durchmesser- Verhältnis von 24:1 haben. In diesem Falle ist der Vorschubabschnitt neun, der erste Übergangsteil zwei, der Sperrstegteil fünf, der zweite Übergangsteil zwei, der Dosierabschnitt viereinhalb und der Mischkopf eineinhalb Schneckengänge lang, wobei der Sperrsteg selbst lediglich sechs Schneckengänge ausbildet.

Bei diesen beiden Ausführungsformen liegen im Sperrstegteil weniger Sperrsteggänge als Hauptgänge. Dies geht darauf zurück, daß der Hauptsteg eine größere Steigung hat und infolgedessen pro Windung über eine größere Länge der Schnecke hinweg vorrückt.

In Fig. 5 und 6 sind die Schmelztemperaturen und Ausbeuten bei einer Schnecke mit einer einzigen Übergangssperre (Schnecke A) und einer erfindungsgemäßen Schnecke (B) miteinander verglichen. Es wird LLDPE mit einer Umlaufgeschwindigkeit von 40 U/min extrudiert. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird eine durchschnittliche Temperaturabnahme am Materialauslaß von 30° angetroffen, wenn eine erfindungsgemäße Schnecke anstelle der bekannten Schnecke eingesetzt wird. Dies bedeutet weniger Energieverlust im Extruder, der sich selbst als übermäßige Wärme darstellt. Die Fig. 6 zeigt, daß etwa zwölf Prozent Leistungssteigerung erzielt werden können, wenn anstelle der bekannten Schnecke (durchschnittlich 8,33 lbs/hr/hp) eine erfindungsgemäße Schnecke (durchschnittlich 9,34 lbs/hr/hp) zum Einsatz gelangt.

Claims (10)

1. Verfahren zum Zubereiten extrudierfähiger, thermoplastischer Materialien aus polymerisierten Feststoffen in einem Extruder, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) man führt die thermoplastischen, polymerisierten Feststoffe in einen Vorschubabschnitt des Extruders ein;
b) man komprimiert und bearbeitet die Feststoffe derart, daß sich ein geschmolzener Polymerisatanteil bilde;
c) man trennt den geschmolzenen Anteil von den noch verbleibenden Feststoffen ab und setzt dabei die Bearbeitung der Feststoffe fort, so daß sich weitere geschmolzene Anteile ergeben, die anschließend wieder von den Feststoffen abgetrennt werden;
d) man komprimiert den geschmolzenen Anteil vor seiner Extrusion weiter.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffe geringfügig komprimiert werden, während der geschmolzene Anteil von ihnen abgetrennt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der geschmolzene Anteil einer weiteren Bearbeitung in einem Dosierabschnitt des Extruders unterworfen wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Extruderschnecke und einem an dieser vorgesehenen Schneckensteg vorgegebenen Außendurchmessers, gekennzeichnet durch folgende Merkmale der Extruderschnecke:
a) ein Vorschubabschnitt (2) mit konstantem Schneckenkerndurchmesser;
b) ein Kompressionsabschnitt (3) mit
(i) einem ersten Übergangsteil (7), der sich dem Vorschubabschnitt (2) unmittelbar anschließt und in dem der Schneckenkerndurchmesser in Richtung des Extruderdurchsatzes zunimmt,
(ii) einem Sperrstegteil (8) im unmittelbaren Anschluß an den ersten Übergangsteil (7), in dem sich der Schneckensteg (5) in einen ersten Hauptsteg (9) und einen zweiten Sperrsteg (10) derart aufspaltet, daß das geschmolzene Material über den Sperrsteg zurückfließt und
(iii) einem zweiten Übergangsteil (12) im Anschluß an den Sperrstegteil (8), in dem der Schneckenkerndurchmesser in Richtung des Extruderdurchsatzes zunimmt, und
c) ein Dosierabschnitt (4) der unmittelbar auf den Kompressionsabschnitt (3) folgt und einen konstanten Schneckenkerndurchmesser aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrsteg (10) einen Außendurchmesser hat, der kleiner als der vorgegebene Außendurchmesser des Hauptsteges (9) ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser des ersten und zweiten Übergangsteils (7, 12) im gleichen Maße zunehmen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich an den Dosierabschnitt (4) unmittelbar ein Mischkopf (6) anschließt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sperrstegteil (8) einen konstanten Schneckenkerndurchmesser hat.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
a) der Vorschubabschnitt (2) neun Schneckengänge,
b) der erste Übergangsteil (7) drei Schneckengänge,
c) der Sperrstegteil (8) sieben Schneckengänge,
d) der zweite Übergangsteil (12) zwei Schneckengänge und
e) der Dosierabschnitt (4) sieben Schneckengänge aufweisen, und daß
f) das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Extruderschnecke (1) 30:1 beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser des Sperrstegteils (8) in Richtung des Extruderdurchsatzes abnimmt.