DE3737892C2 - - Google Patents

Description

Die On-line-Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften des Extrudates im Scherkopf betrifft Extrusionslinien mit Scher­ kopfaggregaten, die in der Elastomerextrusion Extrudern als Fol­ geaggregate nachgeschaltet sind.

Scherkopfsysteme werden in der Elastomerextrusion fast ausschließ­ lich dazu eingesetzt, um dem Extrudat durch Einbringen von Scher­ energie eine Enthalpieerhöhung zuzufügen, so daß noch in der Ma­ schine die Vernetzungsreaktion gestartet werden kann.

Neben dem Vorzug, daß durch den Einsatz eines Scherkopfes die Vernetzungsstrecke sowohl räumlich als auch zeitlich verkürzt werden kann, ist ein großer Nachteil dieses Verfahrens auszu­ machen:

Eine Extrusionslinie wird vom Verarbeiter möglichst ohne Unter­ brechung mit möglichst gleichen Einstellparametern gefahren.

Hierbei müssen in der Regel zahlreiche Chargen des gemischten Ausgangsmaterials verarbeitet werden. Naturgemäß besitzen diese Chargen Schwankungen in der Mischungszusammensetzung und damit in den viskoelastischen Eigenschaften.

Diese Schwankungen führen dazu, daß trotz gleicher Maschinenpara­ meter sich die im Scherdorn einbringbare Scherenergie derart er­ höhen kann, daß die Vernetzungsreaktion unkontrolliert - zu schnell, zu früh, zu stark - beginnt und die Produktion deshalb abgebrochen werden muß, da entweder ungleichmäßig vernetztes Ma­ terial mit entsprechenden Qualitätsmängeln oder gar so stark ver­ netztes und damit fließunfähiges Material sich im Scherkopfsystem befindet, daß eine Extrusion durch das Werkzeug unmöglich wird, bzw. die Gefahr der Drehmomentüberlastung der Antriebseinheiten besteht. Letztlich bedeutet dies eine komplette Demontage des Scherkopfsystems und evtl. des Werkzeugs zur Reinigung.

Man ist daher bestrebt, im Scherdorn etwas über den Zustand des Materials dort zu erfahren bzw. durch das Konstanthalten von Pro­ zeßgrößen die Gefahr des unkontrollierten Anvernetzens zu mini­ mieren.

Am Scherkopf werden nach dem Stand der Technik die Parameter

• - Drehzahl
• - Temperatur
• - Massetemperatur
• - Massedruck

erfaßt und im Zusammenhang mit der vom Extrudermasseausstoß ab­ hängigen Liniengeschwindigkeit zur Prozeßführung benutzt.

Hierzu existiert ausführliche Literatur, z.B. May, Amizic, Stand der Scherkopftechnologie, Extrudieren von Elastomeren, VDI-K 1986, die den Zusammenhang und die Nutzbarkeit obiger Prozeßgrö­ ßen zur Prozeßführung darstellt. Allen Ansätzen in der Praxis ist jedoch gemeinsam, daß eine Beurteilung des viskoelastischen Ver­ haltens des Extrudates On-line nicht erfolgt, d.h. Prozeßparame­ terschwankungen und Chargenschwankungen und Schwankungen inner­ halb einer Charge bleiben unberücksichtigt.

Die Temperatur der Masse und auch der Massedruck werden von die­ sem zwar beeinflußt, allerdings werden beide Größen von einer Vielzahl materialunabhängiger Parameter beeinflußt, wie z.B. Scherkopftemperatur, Drehzahl, Massedruck im Extruder etc.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Größe zur Verfügung zu stellen, welche sehr stark mit den viskoelastischen Materialei­ genschaften korreliert und andererseits On-line meßbar ist. Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprü­ che genannten Merkmale gelöst.

Die Beanspruchung des Extrudates im Scherkopf ist durch die Rota­ tion dynamisch, wenn die Drehzahl dynamisch variiert wird. Ein viskoelastisches Material weist stets das Charakteristikum auf, daß bei dynamischer Beanspruchung eine Zeitverzögerung zwischen der beanspruchenden Deformation und der daraus resultierenden Kraft erfolgt.

Diese bei dynamischer Beanspruchung "Phasenverschiebung" genannte Verzögerung ist - bezogen auf einen Zyklus (360°C) - bei ideal elastischen Fluiden 0°, bei ideal viskosen Fluiden 90°.

Die Lösung der Aufgabe, diese Materialänderungen On-line aufzu­ zeigen, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Solldrehzahl­ verlauf eine periodische Oberschwingung aufgegeben wird, z.B. ei­ ne Sinusschwingung, und der resultierende Istdrehzahlverlauf erfaßt wird.

Weiterhin wird im Drehmomentverlauf, welcher ebenfalls z.B. durch Aufnahme des Ankerstroms des Antriebsmotors erfaßt wird, das Be­ anspruchungsmaximum detektiert.

Mit der Vorrichtung aus Anspruch 4 ist dies möglich, ebenso die sich nun anschließende Signalaufbereitung, die als Ergebnis den zeitlichen Abstand eines definierten Drehzahlwertes zum Drehmo­ mentmaximum zur Verfügung stellt. Dieser ist den viskoelastischen Eigenschaften des Materials direkt proportional und kann daher als materialspezifische Kenngröße während des Extrusionsvorgangs im Scherkopf erfaßt werden.

Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 2 kann die Aufgabe der Messung der viskoelastischen Eigenschaften neben der Drehzahlerfassung und -auswertung wie in Anspruch 1 ebenso durch Messung einer anderen zum Drehmomentverlauf korrespondier­ enden Größe, wie etwa der Ankerspannung erfolgen und als Prozeß­ führungsgröße auch zur Beeinflussung der Betriebsparameter des vorgeschalteten Extruders eingesetzt werden.

In der Figur ist die On-line-Erfassung der viskoelastischen Eigen­ schaften nach Anspruch 1 dargestellt, die das sinnvoll nur mit Hilfe der Auswerteelektronik (Anspruch 4) und dem Meßverfahren (Anspruch 2 und 3) gestattet.

Das Extrudat wird durch den Extruder (1) dem Scherkopfsystem (3) zugeführt.

Der Scherdorn (2) rotiert mit einer periodischen Oberschwingung, die als Sollwert (4) vorgegeben wird.

Die Istdrehzahl wird definiert detektiert (5) und durch geeignete Meßwerterfassung als eine Funktion der Zeit gespeichert (7). Simultan wird das Drehmoment, z.B. über die Ankerstrommessung (Anspruch 2) erfaßt (6) und die Maxima als Funktion der Zeit ge­ speichert (8).

Die Differenz der Signale t _{v 1}...t _vi ergibt schließlich die Ver­ zögerungszeit als Funktion der laufenden Extrusionszeit (9).

Nach Anspruch 3 ist das Vorgehen analog. Hier erfolgt die Detek­ tion, Verarbeitung und Auswertung des Ankerspannungsignals.

Eine nachgeschaltete Elektronik kann nun noch zu dem Zweck einge­ setzt werden, diese Verzögerungszeit auf die Extrusionszeit zu beziehen und den entsprechenden Zahlenwert entweder anzuzeigen und/oder einer Prozeßsteuerung zu übermitteln und/oder zur Pro­ zeßführung und damit zur Beeinflussung auch der Extruderdrehzahl zu nutzen.

Claims (4)

1. Verfahren zur kontinuierlichen On-line-Charak­ terisierung der viskoelastischen Eigenschaften des Extrudates in Scherköpfen, dadurch gekennzeichnet, daß Eigenschaftsände­ rungen des Materials im Prozeß berücksichtigt werden und zum Nachregeln sowohl der Betriebsparameter des Scherkopfes als auch von Betriebsparametern des vorgeschalteten Extruders sowie auch von Nachfolgeeinheiten benutzt werden.

2. Verfahren zur Messung der Veränderung des Verhältnisses von viskosen und elastischen Eigenschaften, dadurch gekennzeich­ net, daß an einem Scherkopf die zeitliche Verschiebung eines Stromextremums zu einem korrespondierenden Drehzahlextremum gemessen wird, bzw. die zeitliche Verschiebung zwischen nor­ mierten, betragsmäßig gleichen, korrespondierenden Strom- und Drehzahlwerten.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Verschiebung zwischen normierten, betragsmäßig gleichen, korrespondierenden Ankerspannungs- und Drehzahlwer­ ten gemessen und als Prozeßführungsgröße auch zur Beeinflus­ sung der Extruderbetriebsparameter eingesetzt wird.

4. Vorrichtung zur elektronischen Erfassung der Parameter aus Anspruch 1 und/oder 2 und elektronischen Auswertung zur Bestimmung des Verhältnisses viskose zu elastischen Eigen­ schaften, sowohl in analoger als auch digitaler Darstellung.