DE3784393T2

DE3784393T2 - Mischverfahren mit gegensinnig zu einer Extruderschnecke arbeitenden Schneckengängen.

Info

Publication number: DE3784393T2
Application number: DE87830186T
Authority: DE
Inventors: Guiseppe Gagliani
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-05-30
Filing date: 1987-05-18
Publication date: 1993-09-30
Anticipated expiration: 2007-05-19
Also published as: IT1221893B; ES2040275T3; DE3784393D1; EP0252886A2; CA1299336C; JPS6323723A; ATE86176T1; EP0252886A3; EP0252886B1; IT8642004A0

Description

Eine Mischvorrichtung ist eine Maschine, die in der Lage ist, verschiedene Bestandteile zu homogenisieren, die in entsprechenden prozentualen Anteilen dosiert wurden, um ein Erzeugnis herzustellen, das bessere Eigenschaften hat als die einzelnen Bestandteile.
Ein spezielles Merkmal dieser Vorrichtungen ist, daß so homogen gemischt wird, daß die einzelnen Bestandteile einander völlig durchdringen, wodurch Anisotropie des Erzeugnisses vermieden wird. Diese Vorrichtung kann auch bei der Mischung von Kunststoffen mit entsprechenden Abänderungen in jeder Anlage eingesetzt werden, in der einzelne Komponenten gemischt werden müssen. So beispielsweise in der Lebensmittel-, Papier-, Chemie- und Pharmazie-Industrie zum Mischen, Homogenisieren, Kneten, Verteilen und Färben von chemischen Erzeugnissen, Papier, Farbstoffen, Ölen, Schmiermitteln, Medikamenten, Kautschuken, Klebstoffen, Aluminium und Lebensmitteln.
Zur Zeit sind drei entwickelte Mischsysteme bekannt, die bei der Herstellung von Kunststoffmischungen verbreitet sind.
1) Ein diskontinuierliches System, bei dem das Material zuerst gemischt und dann in den Extruder gegeben wird.
2) Ein kontinuierliches System, bei dem das Material in einem Extruder gemischt wird, der mit zwei Schnecken versehen ist, die sich gleichzeitig drehen.
3) Ein kontinuierliches System, das von BUSS patentiert wurde, bei dem das Material in einem Extruderkopf mit einer Schnecke, die sich drehend und gleitend bewegt, gemischt wird, wodurch die Mischung des von der Schnecken geschobenen Materials erleichtert wird.
Die oben erwähnten Systeme sind trotz ihres technologischen Wertes kompliziert in der Herstellung, wodurch die Herstellungskosten steigen. Darüber hinaus weist das System auf Grundlage der zwei rotierenden Schnecken (2) den Nachteil einer ungleichmäßigen Geschwindigkeit an aneinandergrenzenden Punkten der Schnecken auf, wodurch die Reibung zunimmt und hohe Temperaturgefälle auftreten.
Diese Tatsache, die die Ursache für die Degradation bestimmter zu mischender Materialien sein kann, macht es erforderlich, die Drehgeschwindigkeit der Schnecken zu verringern, womit die Herstellungskapazität sinkt. Darüber hinaus sind bestimmte Patente bekannt, die Mischvorrichtungen betreffen, die auf dem Prinzip der Veränderung der Geschwindigkeitsprofile in den Strömungskanälen beruhen und so die Mischung verbessern, wenn auch unvollständig. In diesem Zusammenhang sind die Mischvorrichtungen, die in dem Buch "Polymer Extrusion" von Chris Rauwendaal dargestellt sind, zu erwähnen: Punktmischprofil (Pin Mixing Section), Dulmage-Mischprofil (Dulmage Mixing Section), Saxton-Mischprofil (Saxton Mixing Section), Schlitzschneckengewinde (Slotted Screw Flight), Eintragsmischprofil (Cavity Transfer Mixing Section), Kiefernzapfenmischung (Pineapple Mixing). Aufgabe des hier beschriebenen Verfahrens ist es, die oben erwähnten Nachteile zu überwinden.
DE-A 21 17 997 beschreibt einen Extruder, in dem zwei Wellen vorhanden sind, die sich in gleicher Richtung drehen. Jede Welle ist mit einer Schnecke versehen, und die Schnecken auf jeder Welle erstrecken sich in einander entgegengesetzte Richtungen. Zwischen Abschnitten der Schnecken befindet sich ein Mischprofil mit einer Schnecke in entgegengesetzter Richtung zur Schnecke auf der gleichen Welle. Die Schnecken auf der Welle befinden sich im Gewindeeingriff mit den Schnecken auf der anderen Welle.
Aufgabe der Erfindung ist ein Schneckenextruder zum kontinuierlichen Mischen, Homogenisieren, Kneten und Verteilen eines Materials, bei welchem sich innerhalb eines Zylinders eine Schneckengewindewelle mit einer Spritzenschnecke befindet, wobei die Spritzenschnecke auf der hinteren Seite der Welle einen ersten Schneckenabschnitt, der sich in einer Richtung erstreckt, und auf der vorderen Seite der Welle einen zweiten Schneckenabschnitt, der sich in dieselbe Richtung erstreckt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem ersten und dem zweiten Schneckenabschnitt ein Mischabschnitt befindet, der ein eingängiges oder vielgängiges vorwärtsgerichtetes Schraubengewinde enthält, das durch Einschneiden der Welle in dieselbe Richtung des ersten und zweiten Schneckenabschnittes gebildet wird, und ein eingängiges oder vielgängiges entgegengesetztes Schraubengewinde, das durch Einschneiden der Welle in die Gegenrichtung gebildet wird und sich mit dem vorwärtsgerichteten Schraubengewinde überschneidet, das vorwärtsgerichtete Schraubengewinde und das entgegengesetzte Schraubengewinde dieselbe Gewindesteigung und dieselbe Anzahl von Gewindegängen aufweisen und zwischeneinander Nuten formen, die sich untereinander an einer Vielzahl von freien Schnittstellen kreuzen, wobei eine der Nuten dem Material eine vorwärtsgerichtete Bewegung verleiht und die andere Nut einem Teil des Materials eine zurückgerichtete Bewegung verleiht, um einen Gegenstrom von Material zu bilden, der durch Auftreffen des vorwärtsfließenden Materials eine Vermengung des Materials innerhalb der sich überschneidenden Nuten hervorruft, wobei die Vermengung jeweils stärker wird, des so weiter der Vorwärtsfluß des Materials gelangt, und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schneckenabschnitt denselben Durchmesser haben.
Bei den Zeichnungen ist:
Fig. 1 die Ansicht eines Abschnittes der Schnecke, die mit einem Mischprofil versehen ist;
Fig. 2 eine Abwicklung der in Fig. 1 dargestellten Schnecke in Draufsicht; kund
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 2, die den Mischprozeß darstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontinuierliche Extrudervorrichtung mit einer Schnecke 4, 4' auf einer Schneckenwelle 3. Zwischen einem ersten Schneckenabschnitt 4 am Hinterteil der Welle 3 und einem zweiten Schneckenabschnitt 4' auf dem Vorderteil der Welle 3 hat die Schnecke in vorgegebenen Abständen Abschnitte 1, die mit einem weiter unten beschriebenen bestimmten Schraubengewindesystem versehen sind, das die gesamte Vermischung des Materials bestimmt.
Das bedeutet, daß die Vorrichtung einen einfachen Aufbau kombiniert mit erheblichen Mischkapazitäten hat, da es zur Herstellung eines Mischextruders lediglich erforderlich ist, die Schnecke (oder Schnecken in Extrudern mit mehreren Schnecken) gegen die oben erwähnte spezielle Schnecke auszutauschen.
Die Eigenheit der Mischvorrichtung ist, wie in Fig. 2 zu sehen ist, das Vorhandensein einer Reihe von Kanälen 5, die beispielsweise durch die Überschneidung von zwei Schraubengewinden 6, 7, die einander entgegengesetzt sind, entstehen. Bei der dargestellten Ausführung ist ein doppeltes Vorwärtsschraubengewinde 6 dargestellt, wobei das Doppelgewinde die gleiche Gewindesteigung und Richtung wie Schnecke 4, 4' hat, sowie ein zweites entgegengesetztes Schraubengewinde 7, das wiederum ein Doppelgewinde mit der gleichen Steigung wie Schnecke 4, 4', jedoch mit entgegengesetzter Richtung ist. Bei den oben erwähnten zwei Arten von Schraubengewinden ist es möglich, jeweils die Anzahl der Gewinde, die Steigungen und das Kanalprofil hinsichtlich Breite, Tiefe und Form je nach dem zu mischenden Material oder den Anforderungen der Produktion zu verändern. Das entgegengesetzte Schraubengewinde 7, auf dem die vorliegende Erfindung beruht, kann durch Kanäle 5 oder Durchgänge unterbrochen werden, die nicht unbedingt ein Gewinde bilden. Der besseren Erklärung des Prinzips, auf dem die vorgeschlagene Vorrichtung beruht, dient Fig. 3, bei der der Einfachheit halber eine schematische Draufsicht auf eine Mischvorrichtung zu sehen ist, die Kanäle 5 verschiedener Breite hat, wobei das linksgängige eine größere Breite hat, wenn man davon ausgeht, daß das Schraubengewinde 6 ein Rechtsgewinde ist. Die Kanäle 5, die einander entgegengesetzt sind, bilden Schnittstellen 9, an ihren Kreuzungspunkten, die, wie im folgenden zu sehen sein wird, die Vermischung des Materials bewirken. Es wird vorausgesetzt, daß die Materialien in Richtung der Pfeile von der linken Seite der Zeichnung zur rechten geschoben werden, und daß sich die Schnecke 4, 4' entgegen dem Uhrzeigersinn dreht. Die Kanäle, die helfen, das Material vorwärts zu schieben, da sie auf einem Schraubengewinde beruhen, das der Schnecke 4, 4' (die als rechtsläufig angesehen wird) ähnelt, beruhen, sind mit "αi" (i = 1, 2, 3) bezeichnet, und die Kanäle, die das Material zurückschieben, sind mit "βj" (j = 1, 2, 3) bezeichnet, während ein Partikel des zu betrachtenden Materials, das sich da befindet, wo die Kanäle "αi" und "βj" einander schneiden, mit dv&ijlig; bezeichnet ist.
Betrachten wir ein Partikel dv&sub2;&sub2; aus Material, das sich da befindet, wo die Kanäle "α&sub2;" und "β&sub2;" einander schneiden.
Der Teil des Materials, dem ein vorherrschender Schub fehlt, spaltet sich an einem Abschnitt "dR" einer Windung der Schnecke in zwei gleiche Teile, und zwar entsprechend
dv&sub2;&sub2;/2
Diese beiden Teile treffen an den Kreuzungspunkten "α&sub2;" "β&sub1;" und "α&sub3;" "β&sub3;" auf die Teilchen
dv&sub1;&sub1;/2 and dv&sub3;&sub3;/3b
die aus den Kanälen "β&sub1;" und "α&sub3;" kommen, so daß es zu folgendem Ergebnis kommt:
Auf die bei "α&sub3;" "β&sub1;" in einer ersten Mischstufe so gebildeten Partikel erfolgt eine weitere Vermischung, wobei sich ein Partikel
bildet.
Aus dieser vereinfachten Analyse der pyramidenartigen Strömungsbewegung ist zu ersehen, wie an der zweiten Kreuzung ein dv&sub3;&sub1; entsteht, das durch die Mischung der vierten Teile von 2dv&sub2;&sub2;, dv&sub3;&sub3; und dv&sub1;&sub1; gebildet wird.
In der Praxis findet die Vermischung entsprechend der Einzelkreuzungsstufen, die in Fig. 3 mit 10, 11, 12, 13, 14 usw. bezeichnet sind, in Form einer geometrischen Folge statt. Mit anderen Worten, geht man an jeder Kreuzung auf Stufe 10 von Teilchen dv, die aus einem einzelnen Bestandteil bestehen, aus, entstehen an jeder Kreuzung auf Stufe 11 Teilchen aus Material, die jeweils eine Mischung aus zwei Bestandteilen sind, an jeder Kreuzung auf Stufe 12 sind die Teilchen einer Mischung aus vier Bestandteilen, von denen zwei von der gleichen Kreuzung auf Stufe 10 kommen. An jeder Kreuzung auf Stufe 13 besteht die Mischung bereits aus acht Bestandteilen, und so weiter.
Damit ergibt sich, daß, während die Schnecke 4, 4' sich dreht, das Material bemerkenswert oft vermischt wird, und daß Vermischung auch zwischen Teilchen stattfindet, die bereits vermischt worden sind.
Bestimmende Faktoren der vorliegenden Erfindung sind: das Vorhandensein der gegenläufigen Schraubengewinde 6, 7, das den Rückwärtsfluß verursacht und somit weitere Vermischung des Materials, das bereits gemischt worden ist, fördert; die Wahl der Drehgeschwindigkeit des Materials auf der Schnecke, wobei diese Geschwindigkeit wenigstens der Schiebebewegung des Materials selbst gleich ist, was unabdingbar für die vollständige Homogenisierung der Erzeugnisse ist; und nicht zuletzt das Vorhandensein einer Stromdrosselung stromab von der Mischvorrichtung oder den Mischvorrichtungen, die in Fig. 1 mit 2 bezeichnet ist, und die durch eine Abwandlung der Strömungsgeschwindigkeit bewirkt, daß das Material so lange wie erforderlich in der Mischvorrichtung verbleibt.
Die vorgeschlagene Vorrichtung kann mit zwei oder mehr gleichdrehenden oder sich entgegengesetzt drehenden Schnecken versehen sein, von denen einige rechtsgängige Gewinde und andere linksgängige Gewinde haben, so daß Vermischung bewirkt wird, da sich das Material aufgrund der entgegengesetzten Richtungen der Schnecken zwangsweise rückwärts und vorwärts bewegt. Die unterschiedliche relative Länge der Schnecken führt je nach Anforderung zu Veränderung der Misch- und Produktivitätsparameter.
Effektive Lösungen können auch mit der Herstellung von Extrudern mit zwei oder mehr gleichdrehenden oder sich entgegengesetzt drehenden Schnecken erreicht werden, die jeweils Abschnitte von rechtsgängigem und Abschnitte von linksgängigem Gewinde haben.
Es ist wichtig anzumerken, daß bei der vorgeschlagenen Vorrichtung die durch den Materialfluß durch die verschiedenen Kanäle hervorgerufene Reibung beim Einsatz in der Herstellung von Thermoplasten zur Erreichung der erforderlichen Schmelztemperatur zum Mischen und Verarbeiten beiträgt. Darüber hinaus ist es in einigen Fällen möglich, daß die Mischvorrichtung durch die von der Mischvorrichtung und damit durch den Motor bei in Gang gesetztem Extruder verrichtete Arbeit ohne die Hilfe von elektrischen Heizwiderständen kontinuierlich arbeiten kann, da dieses System eine maximale Umwandlung von mechanischer in thermische Energie bewirkt.

Claims

1. Schneckenextruder zum kontinuierlichen Mischen, Homogenisieren, Kneten und Verteilen eines Materials, bei welchem sich innerhalb eines Zylinders eine Schneckengewindewelle (3) mit einer Spritzenschnecke (4, 4') befindet, wobei die Spritzenschnecke auf der hinteren Seite der Welle (3) einen ersten Schneckenabschnitt (4), der sich in einer Richtung erstreckt und auf der vorderen Seite der Welle einen zweiten Schneckenabschnitt (4') der sich in die selbe Richtung erstreckt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem ersten und dem zweiten (4, 4') Schneckenabschnitt ein Mischabschnitt (5) befindet, der ein eingängiges oder vielgängiges vorwärtsgerichtetes Schraubengewinde (6) enthält, das durch Einschneiden der Welle (3) in die selbe Richtung des ersten und zweiten Schneckenabschnittes (4, 4') gebildet wird, und ein eingängiges oder viergängiges entgegengesetztes Schraubengewinde (7), das durch Einschneiden der Welle in die Gegenrichtung gebildet wird und sich mit dem vorwärtsgerichteten Schraubengewinde (6) überschneidet, das vorwärtsgerichtete Schraubengewinde (6) und das entgegengestzte Schraubengewinde (7) die selbe Gewindesteigung und die selbe Anzahl von Gewindegängen aufweisen und zwischeneinander Nuten (5) formen, die sich untereinander an einer Vielzahl von freien Schnittstellen (9) kreuzen, wobei eine der Nuten dem Material eine vorwärtsgerichte Bewegung verleiht und die andere Nute einem Teil des Materials eine zurückgerichtete Bewegung verleiht, um einen Gegenstrom von Material zu bilden, der durch Auftreffen des vorwärtsfliessenden Materials eine Vermengung des Materials innerhalb der sich überschneidenden Nuten hervorruft, wobei die Vermengung jeweils stärker wird, desto weiter der Vorwärtsfluß des Materials gelangt, und weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Schneckenabschnitt (4, 4') den selben Durchmesser haben.

2. Schneckenextruder nach Anspruch 1, worin der erste und der zweite Schneckenabschnitt (4, 4') die selbe Gewindesteigung haben.

3. Schneckenextruder nach Anspruch 2, worin das vorwärtsgerichtete und das entgegengesetzte Schraubengewinde (6, 7) im Mischabschnitt (1) die selbe Gewindesteigung wie der erste und der zweite Schneckenabschnitt (4, 4') haben.

4. Schneckenextruder nach einem der einem der Ansprüche 1 bis 3, worin sich innerhalb des Mischabschnittes (1) eine Stromdrosselung (2) auf der Welle (3) befindet, um die Strömung des Materials zu drosseln.

5. Schneckenextruder nach einem der Ansprüche l bis 4, in dem sich eine Vielzahl von Mischabschnitten (1) in aufeinanderfolgender Anordnung zwischen den Schneckenabschnitten (4, 4') befinden.