DE3642757A1

DE3642757A1 - Verfahren zur produktueberwachung von schmelzeextrudierten kunststoffen durch ueberwachen der dynamischen viskositaet der schmelze in der extrusionsanlage

Info

Publication number: DE3642757A1
Application number: DE19863642757
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Ing Schippers; Erich Dr Ing Lenk; Egon Gathmann
Original assignee: Barmag AG; Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1986-01-08
Filing date: 1986-12-15
Publication date: 1987-07-16

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Produktüber wachung von schmelzeextrudierten Kunststoffen durch Überwachen der dynamischen Viskosität der Schmelze in der Extrusionsan lage für den hochpolymeren Kunststoff; sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Verarbeitung hochpolymerer Schmelzen in Extrusions anlagen, insbesondere zum Spinnen von Fäden aus der Schmelze, ist eine möglichst gleichmäßige Führung des Aufschmelzvor ganges und der Förderung der Kunststoffschmelze zu den einzelnen Spinnstellen von besonderer Bedeutung. Als be sonders wichtig hat sich dabei die gleichmäßige Führung des Aufschmelzvorganges erwiesen, da bei größeren Schwankungen der Temperatur- oder/und Druckführung im Aufschmelzextruder möglicherweise auftretende Depolymerisations- und/oder Nach polymerisationsvorgänge sich auf dem Weg der Schmelze zu den einzelnen Spinnstellen praktisch nicht mehr ausgleichen lassen und so zu Ungleichförmigkeiten im entstehenden Produkt führen. Unerwünschte Folgen beim ersponnenen Produkt können ggf. aber auch dadurch entstehen, daß Temperaturschwankungen in der in den Schmelzeleitungen geführten Spinnschmelze auch zu Schwankungen ihrer Viskosität führen, was zu nicht mehr vernachlässigbaren Titerschwankungen führen kann.

Für eine Anlage, bei der zwischen Aufschmelzextruder und Aus formeinrichtung (Spritzwerkzeug) ein Schmelzefilter als Teil einer Siebwechselvorrichtung und stromaufwärts eine durch einen Stellmotor in ihrem freien Querschnitt einstellbare Drossel angeordnet sind, wurde durch die DE-AS 27 51 225 vorgeschlagen, den Druck am Extruderausgang dadurch konstant zu halten, daß der sich ständig verändernde Druckabfall im Siebpaket des Schmelzefilters durch Veränderung des Durchlaß querschnittes der Stelldrossel unter Berücksichtigung der Ma terialeigenschaften kompensiert wird. Zur Bestimmung der Materialeigenschaften dient eine Schmelzindex-Bestimmung durch Messung der Schmelzeviskosität in einem Schmelzeteilstrom zwischen dem Siebpaket und dem Formwerkzeug. Konkret wird am Ausgang des Siebpaketes in einem zum Hauptschmelzestrom im Bypass geführten Probenstrom der Druckabfall über eine festgelegte Meßstrecke mit einer Meßdüse bei gleichzeitiger Temperaturmessung am Eingang der Meßstrecke und konstant ge haltener Förderleistung einer Dosierpumpe in dem Probenstrom kanal bestimmt. Aus den Meßwerten wird die Viskosität ermittelt und mit einer Temperatur-Druck-Kennlinie eines Reglers ver glichen, der mit dem Stellmotor der Stelldrossel durch eine Signalleitung verbunden ist.

Ein wesentlicher Nachteil der in der genannten Druckschrift beschriebenen Einrichtung besteht zunächst darin, daß die dem Formwerkzeug zugeführte Kunststoffmasse und die in der vorge sehenen Meßstrecke geführte Masse zwei voneinander unab hängige Teilströme darstellen, wobei der Meßstrom außerdem sehr viel kleiner als der zum Spritzwerkzeug geführte Haupt schmelzestrom ist. Es erscheint daher unwahrscheinlich, daß die in der Meßstrecke ermittelten Werte auf den Hauptschmelze strom übertragen werden könnten. Zu beachten ist hierzu bei spielsweise, daß die in der genannten Druckschrift ange gebenen Beziehungen zwar für Newton′sche Flüssigkeiten, nicht jedoch für Schmelzen von hochpolymeren Kunststoffen, die nicht Newton′sche Flüssigkeiten sind, uneingeschränkt Gültig keit haben. Die fehlende Vergleichbarkeit wird bei den vorhandenen Abmessungsverhältnissen schon daraus deutlich, daß beim Vergleich der aus den bekannten Beziehungen sich errechnenden Werte für die dynamische Viskosität der jeweilige Leitungsdurchmesser in der vierten Potenz eingeht.

Das bekannte Verfahren ist aber auch für eine Schmelzspinn anlage nicht anwendbar. Denn erst unmittelbar vor den dort als Formwerkzeugen benutzten Spinndüsen wird die Schmelze von einer in jeder Teilverbraucherleitung liegenden Dosierpumpe durch ein zu der Spinndüse gehörendes Filterpaket gepreßt. Die Messung des Druckverlustes und der Temperatur in einem zwischen Filterpaket und Spinndüsenplatte abgezweigten Schmelzeteilstrom sowie die Regelung des Druckes im Aufschmelz extruder in Abhängigkeit von der Filterverschmutzung ist hier praktisch nicht ausführbar, aber auch nicht sinnvoll. Die Filterverschmutzung ist bei einer Schmelzspinnanlage mit einer Vielzahl von Spinndüsen nicht relevant, da diese von Spinndüse zu Spinndüse verschieden sein kann und auf den Aufschmelz extruder nicht zurückwirkt, da die Dosierpumpen vor den Spinn düsen volumetrisch arbeitende Zahnradpumpen sind, die unab hängig von der jeweiligen Verschmutzung des zugeordneten Schmelzefilters fördern.

Hinzu kommt, daß die Einschaltung einer Differenzdruckmessung in einen Regelkreis für eine Produktüberwachung vor allem dann angewandt wird, wenn der Aufschmelzextruder bewußt in einem Temperaturbereich gefahren wird, in dem ein Abbau der dynamischen Viskosität stattfindet, beispielsweise bei Poly propylen in einem Temperaturbereich von mehr als 300°C. Bei Spinnanlagen für Chemiefasern aus Polyamiden und Polyestern ist dies im Normalbetrieb, d.h. bei normalen Spinntemperaturen nicht der Fall und durch Temperaturänderungen in der Schmelze läßt sich kein nennenswerter Viskositätsabbau erzielen.

Die der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe be steht in der Schaffung einer Möglichkeit zur Produktüber wachung von schmelzeextrudierten Kunststoffen durch Überwachung der Viskosität der Schmelze und damit mittelbar auch des Auf schmelzevorgangs im Extruder. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß in einem als Meßstrecke bestimmten, zum Verbraucher führenden Leitungsabschnitt der Extrusionsanlage fortlaufend oder in regelmäßigem Zeitabstand die Druckdifferenz zwischen Anfang und Ende der Meßstrecke sowie die Temperatur am Anfang und/oder Ende der Meßstrecke gemessen und der zugehörige Volumenstrom durch Einschaltung einer Dosierpumpe konstant gehalten wird.

Hierbei lag der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, daß die Meßstrecke in die unmittelbare Nähe des Extruders gelegt werden sollte, wenn die Einflüsse des Extruderbetriebs auf die Produkt qualität überwacht werden soll, während die Meßstrecke bei einer Produktüberwachung d.h. Einhaltung konstanter Produkt parameter, ans Ende der Schmelzeleitung gelegt werden sollte.

Die Unteransprüche geben eine Reihe von Weiterbildungsformen wieder, wobei sich zwei Ausführungsformen als besonders günstig gezeigt haben. Bei der einen wird der Druckabfall in der Hauptleitung, d.h. vor einer Verzweigung der Schmelzeleitung in eine Mehrzahl von Teilströmen, gemessen. Die Bestimmung des infolgedessen nicht konstant bleibenden, jeweils zuge hörigen Volumenstroms erfolgt durch den Abgriff der Antriebs parameter aller in Betrieb befindlichen, durch die Hauptleitung versorgten Dosierpumpen, deren Fördervolumen bekannt sind, und die Addition der Einzelwerte zum Volumenstrom der Haupt leitung. Da der Quotient aus den jeweils gemessenen Werten für die Druckdifferenz und den Volumenstrom ein direktes Maß für die dynamische Viskosität ist, wird es auf einfache Weise möglich, deren Überwachung für die in der Hauptleitung fließende Schmelze unabhängig davon durchzuführen, daß einzelne Spinnstellen betriebsbedingt außer Betrieb gesetzt werden müssen.

Bei einer zweiten Ausführungsform wird die Extrusionsan lage mindestens mit einer, vorteilhaft mit wenigstens zwei jeweils durch eine eigene Dosierpumpe versorgten Einzel spinnstellen als Teilverbraucher versehen. Da hier eine Ver änderung des Volumenstromes im stationären Betrieb ausge schlossen bleibt, brauchen bei dieser Ausführungsform nur die Schwankungen der Druckdifferenz verfolgt zu werden; sie sind direkt proportional den Viskositätsschwankungen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung beider vorhergehend be schriebener Ausführungsformen kennzeichnet sich durch den zusätzlichen Abgriff der Schmelzetemperatur in der Meßstrecke und den Vergleich der gemessenen Temperatur mit einer dem verarbeiteten Kunststoff zugehörigen, den temperaturabhängigen Verlauf der dynamischen Viskosität zeigenden Kennlinie. Das Ergebnis, d.h. das Ausmaß eventuell vorhandener Abweichungen von der Kennlinie kann dann dem Signal aus dem Quotienten der Druckdifferenz und des Volumenstroms oder der Druck differenz allein vor der Weiterführung zur Anzeige als Korrekturgröße aufgegeben werden. Es ist auch möglich, die gemessene Temperatur als eigenen Wert anzuzeigen.

Die beigegebene Zeichnung dient der Erläuterung der Erfindung. Es zeigt:

Fig. 1 Schema einer Ausführungsform der Schmelzspinn anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform der Schmelzspinnan lage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Schema.

In einem mit einem Antrieb 3 versehenen Extruder 1 mit der Aufgabeeinrichtung 2 wird der hochpolymere Kunststoff aufge schmolzen. Die Schmelze gelangt über die Hauptleitung 4 zu einem Verteiler 5, vor dem ein in der Fig. 1 nicht dar gestellter statischer Mischer zur Homogenisierung der Schmelze vor ihrer Aufteilung vorgesehen sein kann. Vom Ver teiler 5 gehen die einzelnen Teilverbraucherleitungen 6 bis 14 aus, die jeweils zu einer Dosierpumpe 15 zur Versorgung der zugehörigen Teilverbraucher führen. Sie sind in be kannter Weise so geführt, daß die Schmelze in allen Teilver braucherleitungen 5 bis 14 gleich lange Wege bis zu den Dosier pumpen zurückzulegen hat.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Extrusionsanlage ist die Meß strecke ein Teil 4 A der Hauptleitung 4. Anfang und Ende der Meßstrecke 4 A sind bezüglich der Zu- und Weiterführungen so festgelegt, daß die Möglichkeiten für störende Einflüsse auf die Strömungsverhältnisse in der Meßstrecke ausgeschaltet werden. Ein Druckfühler 16 ist am Anfang der Meßstrecke ange ordnet und über eine Signalleitung 17 mit dem Registrierge rät oder Rechner 20 verbunden, ein Druckfühler 18 sitzt am Ende der Meßstrecke und ist ebenfalls über eine Signallei tung 19 mit dem Registriergerät oder Rechner 20 verbunden. Vom Verteiler 5 gehen die einzelnen Teilverbraucherleitungen 5 bis 14 aus, die zu den einzelnen Dosierpumpen 15 der Teil verbraucher führen.

Die durch die Dosierpumpen 15 geförderten Volumenströme sind in sehr engen Toleranzen konstant, so daß der die Haupt leitung 4 passierende Volumenstrom an sich als konstante Größe angenommen werden könnte. Bei der Spinnanlage nach Fig. 1, bei der die Hauptleitung 4 bzw. ein Teilabschnitt von ihr als Meßstrecke 4 A Verwendung findet, muß die Summe der von den einzelnen Dosierpumpen geförderten Volumenströme die Hauptleitung 4 passieren. Um dabei dem im Betriebsalltag un vermeidlichen Fall, daß in wechselndem Ausmaß einzelne Spinn stellen zu Düsenwechsel- oder anderen Arbeiten vorübergehend stillgelegt sind, Rechnung tragen zu können, sind alle Dosier pumpen 15 mit Einrichtungen 21 zum Abgreifen ihrer Antriebs parameter ausgestattet. Die Abgriffergebnisse führen in einem Rechner 20 zu dem die Hauptleitung 4 passierenden Volumen strom; der Quotient aus Druckdifferenz und Volumenstrom führt dann zu Werten, die der zu überwachenden dynamischen Viskosität proportional sind. Das Ergebnis kann über eine Leitung 24 einem Anzeigeinstrument 33 zugeleitet werden, das wegen der Proportionalität zwischen der dynamischen Viskosität und der Druckdifferenz bzw. dem Quotienten aus Druckdifferenz und Volumenstrom zur Anzeige der Viskositätswerte geeicht sein kann. Dadurch ist die Möglichkeit zur Produktüberwachung und ggf. für mögliche Eingriffe in die Funktion des Extruders 1 durch das Überwachungspersonal gegeben. Das Ausgangssignal kann bei Anordnung eines Reglers anstelle des Registriergerätes 33 oder Rechners 20 auch als Stellgröße beispielsweise über eine Signalleitung 25 auf den Extruderantrieb 3 oder - über eine Signalleitung 34 - auf die Gehäuseheizung 32 des Extruders 1 einwirken. Dies kann bei der Ausführungsform nach Fig. 1 mit besonders gutem Erfolg geschehen, da hier der Zeitversatz zwischen dem Austritt der Schmelze aus dem Extruder und dem Abgriff der Meßdaten kurz gehalten werden kann.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausbildungsform einer Extrusionsan lage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der eine bzw. zwei (6; 11) der Teilverbraucherleitungen 6 bis 11 als Meßstrecken 6 bzw. 11 dienen. Bevorzugt beliefert dabei die jeweils ausgesuchte Teilverbraucherleitung nur eine Spinnstelle 27 als Teilverbraucher, so daß, da der Volumen durchsatz konstant bleibt, lediglich die Druckdifferenz, in der Meßstrecke 6 bzw. 11 ermittelt durch die Druckfühler 16 und 18, in ein Registriergerät oder einen Rechner 20 einge geben wird.

In der Fig. 2 sind Einzelspinnstellen 27 und Mehrfachspinn stellen 28 als jeweils durch eine Dosierpumpe 15 belieferte Teilverbraucher dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann ohne Einfluß auf das ermittelte Ergebnis allein die als Meßstrecke Verwendung findende Teilverbraucher leitung 6; 11 für eine Einzelspinnstelle 27 betrieben werden, während alle anderen Teilverbraucherleitungen zu Mehrfach spinnstellen 28 führen.

Mit besonderem Vorteil kann in der Meßstrecke, besonders bei der Ausführung nach Fig. 1, zusätzlich zu den am Anfang und am Ende vorhandenen Druckfühlern 16, 18 ein Temperatur fühler 29 vorgesehen werden. Das von diesem gemessene Er gebnis kann - etwa zur Orientierung - angezeigt oder über eine Signalleitung 30 ebenfalls in den Rechner oder auch Reg ler 20 eingegeben werden.

Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß der Einfluß des Druck abfalls in der Meßstrecke auf die Temperatur der Schmelze relativ gering ist, so daß eine einzige Temperaturmessung vor oder hinter der Drosselung in der Meßstrecke genügt. Die zusätzliche Temperaturmessung in der Meßstrecke ist anderer seits für die Überwachung der dynamischen Viskosität aber besonders sinnvoll, da es ein Indiz für die Änderung der dynamischen Viskosität als Produktparameter ist, wenn der Druckabfall zwar konstant ist, die Temperatur sich aber ändert oder umgekehrt die Temperatur zwar konstant ist, der Druckabfall in der Meßstrecke sich aber verändert.

Durch einen Meßwertvergleich mit einer beispielsweise in einer Meßreihe empirisch festgelegten Kennlinie für den Temperatureinfluß auf den Verlauf der dynamischen Viskosität des verarbeiteten Kunststoffes ergibt sich für den zu ermittelnden, zugehörigen Wert der Viskosität eine Korrekturgröße, die ebenfalls in den Rechner oder Regler 20 eingegeben wird, so daß auch Temperaturschwankungen bei der Ermittlung des tatsächlich vorliegenden momentanen Wertes der dynamischen Viskosität berücksichtigt sind.

Bezugszeichenaufstellung 1  Extruder
2  Aufgabeeinrichtung
3  Antrieb
4  Hauptleitung
5  Verteiler
6  Teilverbraucherleitung
7  Teilverbraucherleitung
8  Teilverbraucherleitung
9  Teilverbraucherleitung
10  Teilverbraucherleitung
11  Teilverbraucherleitung
12  Teilverbraucherleitung
13  Teilverbraucherleitung
14  Teilverbraucherleitung
15  Dosierpumpe
16  Druckfühler
17  Signalleitung
18  Druckfühler
19  Signalleitung
20  Registriergerät; Rechner
21  Antriebsparameterabgriff
22  Signalleitung
23  Ausgang
24  Signalleitung
25  Signalleitung
26  statischer Mischer
27  Einzelspinnstelle, Teilverbraucher
28  Spinnstellengruppe, Teilverbraucher
29  Temperaturfühler
30  Signalleitung
31  Signalleitung
32  Gehäuseheizung
33  Anzeige
34  Signalleitung

Claims

1. Verfahren zur Produktüberwachung von schmelzeextrudierten Kunststoffen durch Überwachen der dynamischen Viskosität der Schmelze in der Extrusionsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß in einem als Meßstrecke bestimmten, zum Verbraucher führenden Leitungsabschnitt der Extrusionsanlage fortlaufend oder in regelmäßigem Zeitabstand die Druck differenz zwischen Anfang und Ende der Meßstrecke sowie die Temperatur am Anfang und/oder Ende der Meßstrecke gemessen und der zugehörige Volumenstrom durch Einschaltung einer Dosierpumpe konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Produktüberwachung in einer Extrusionsanlage mit einer Vielzahl von über Teilverbraucherleitungen versorgten Teilverbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz in der Hauptleitung (4) oder einer Teillänge der Hauptleitung als Meßstrecke (4 A) gemessen wird, die Teilverbraucherleitungen (6-14) über je eine Dosierpumpe (15) geführt und die Antriebsparameter sämtlicher Dosierpumpen (15) zur Ermittlung des Volumen stroms in der Meßstrecke (4 A) erfaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Produktüberwachung in einer Extrusionsanlage mit einer Vielzahl von über Teilverbraucherleitungen versorgten Teilverbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckdifferenz in einer als Meßstrecke (6; 11) dienenden Teilverbraucherleitung (6-11) gemessen wird und der Volumenstrom der Teilverbraucherleitung (6; 11) über deren Dosierpumpe (15) geführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Meßstrecke (6; 11) benutzte Teilverbraucher leitung (6-11) als Versorgungsleitung für eine einzelne Spinnstelle (27) vorgesehen und ihr Volumenstrom über eine Dosierpumpe (15) geführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei gleiche Teilverbraucherleitungen als Meßstrecken (6; 11) vorgesehen und ihre Volumenströme jeweils über den einzelnen Teilverbraucherleitungen zugeordnete Dosierpumpen (15) geführt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßwerte für die Druckdifferenz einer vorzugsweise direkt die Größe der dynamischen Viskosität angebenden Anzeigeeinrichtung (33) zugeleitet werden.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Quotient aus der gemessenen Druckdifferenz und dem jeweils zugehörigen, aus den Antriebsparametern der Pumpen (15) bestimmten Volumenstrom als der dynamischen Viskosität direkt proportionale Größe zu einer vorzugs weise unmittelbar die Größe der Viskosität angebenden Anzeigeeinrichtung (33) geleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze in der Meßstrecke (4 A) abgegriffen, mit einer dem auszupressenden Kunststoff zugehörigen und den Einfluß der Schmelzetemperatur auf den Verlauf ihrer Viskosität darstellenden Kennlinie verglichen und sich dabei ergebende Abweichungen dem der Anzeigeeinrichtung (33) zugeführten Signal als Korrekturgrößen aufgegeben werden.

9. Schmelzspinnanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Aufschmelzextruder und einer Vielzahl über eine Hauptleitung und eine jeweils mit einer zugeordneten Dosierpumpe versehenen Vielzahl von Teilverbraucher leitungen versorgter Teilverbraucher, dadurch gekennzeichnet, daß ein homogener, zu den Verbrauchern (27, 28) führender Leitungsabschnitt (4, 6-14) zwischen dem Extruderausgang und den Dosierpumpen (15) als Meßstrecke (4 A, 6, 11) am Beginn und am Ende je einen Druckfühler (16; 18) aufweist und beide Druckfühler (16, 18) über Signalleitungen (17, 19) mit einem Rechner oder Registriergerät (20) verbunden sind.

10. Schmelzspinnanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptleitung (4) oder ein Teilabschnitt (4 A) der Hauptleitung (4) als Meßstrecke (4 A) mit einem Druckfühler (16) an ihrem Eingang und einem Druckfühler (18) an ihrem Ausgang eingerichtet ist, und daß an allen über die Teilverbraucherleitung (6-14) mit der Hauptleitung (4) verbundenen Dosierpumpen (15) Vorrich tungen (21) zum Abgriff der Antriebsparameter vorgesehen sind, die über jeweils den einzelnen Spinnstellen (27) zugeordnete einzelne oder eine gemeinsame Signalleitung (22) mit dem Rechner (20) verbunden sind.

11. Schmelzspinnanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Teilverbraucherleitung (6-14) als Meßstrecke (6; 11) mit jeweils einem Druckfühler (16; 18) am Anfang und am Ende der Meßstrecke (6; 11) ausgestattet ist und die Druckfühler (16, 18) über Signalleitungen (17, 19) mit dem Rechner oder Registriergerät (20) verbunden sind.

12. Schmelzspinnanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierpumpen (15) mit konstanter Drehzahl ange triebene Zahnradpumpen sind.

13. Schmelzspinnanlage nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßstrecke (4; 6; 11) ein Temperaturfühler (29) vorgesehen ist, der über eine Signalleitung (30) mit einem Temperaturanzeiger oder/und einem Rechner oder Registriergerät (20) verbunden ist.