DE3806147A1 - Vorrichtung zum mischen von thermoplastifiziertem kunststoff - Google Patents

Description

Vorrichtung zum Mischen von thermoplastifiziertem Kunststoff, - mit Rotor und Stator, die zwischen sich einen Spalt bilden, wobei der Rotor sowie der Stator in Umfangsreihen und in Axialreihen angeordnete Mischkammern aufweisen, die gleich ausgebildet sind und einen langgestreckten Grundriß aufweisen, der stirnseitig und rückseitig von einem Halbkreis mit einem Leitradius (R) begrenzt ist, wobei fernerhin die Anzahl der Mischkammern in den Umfangsreihen sowie in den Axialreihen des Rotors einerseits und des Stators andererseits überein­ stimmt und die Umfangsreihen des Rotors gegenüber den Umfangs­ reihen des Stators um die halbe Länge der Mischkammern gegen­ einander versetzt sind. Vorrichtungen des beschriebenen Auf­ baus und der beschriebenen Zweckbestimmung werden an eine Schneckenstrangpresse, in der der thermoplastische Kunststoff plastifiziert wird, angeschlossen oder als Abschnitt in eine solche Schneckenstrangpresse eingebaut. - Es versteht sich, daß der Stator aus Ringen oder Ringbuchsen, die in einen Zylinder eingesetzt sind, zusammengesetzt sein kann. Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß sich die in den Axialreihen stirn­ seitig und endseitig angeordneten Mischkammern stirnseitig und rückseitig voneinander und von den übrigen Mischkammern unterscheiden können, wenn es die Geometrie des Rotors oder des Stators verlangt, beispielsweise deshalb, weil der Rotor kegelförmige Übergangsstücke zum Ende bzw. zur zugeordneten Schneckenwelle hin aufweist und der Stator angepaßt ist.

Bei der bekannten gattungsgemäßen Vorrichtung (WO 85/01 911) sind die Mischkammern des Rotors tiefer als die des Stators. Sie sind zwar im Radialschnitt bogenförmig, jedoch besteht insoweit keine feste Beziehung zu dem eingangs definierten Leitradius. Der Mischwirkungsgrad, definiert als Quotient aus erreichter Homogenisierung und aufgewandter Energie, be­ friedigt nicht. Im Extrudat bleiben häufiger gleichsam unver­ mischte oder schlecht vermischte Zellen. Dies gilt insbes. dann, wenn mit der Vorrichtung ein Einmischen von Additiven durchgeführt wird. Ähnlich liegen die Verhältnisse bei anderen bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Zweckbestimmung (GB 9 30 339), bei denen die Mischkammern einen etwa recht­ eckigen Grundriß aufweisen sowie im Radialschnitt rechteckig bis trapezförmig gestaltet sind. Um den Mischwirkungsgrad zu verbessern, ist es bei einer anderen Vorrichtung der ange­ gebenen Zweckbestimmung bekannt (EP 00 48 590), mit mehr oder weniger halbkugelförmigen Mischkammern zu arbeiten, die in bezug auf die Anordnung der Mischkammern nicht nur zwischen Rotor und Stator, sondern auch im Rotor und im Stator gegen­ einander versetzt sind. Durch diese mehrfache Versetzung und die halbkugelförmige Ausbildung der Mischkammern erreicht man zwar eine Verbesserung der Vermischung, jedoch ist der Energieaufwand erheblich. Im Rahmen dieser bekannten Maßnahmen ist zwar nicht ausgeschlossen, mit langgestreckten Misch­ kammern zu arbeiten, insoweit fehlt jedoch jeder Hinweis, wie man zu einer guten Vermischung bei geringem Energieaufwand kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Vorrichtung so weiter auszubilden, daß ein wesentlich ver­ besserter Mischwirkungsgrad erreicht wird, und zwar bei geringem fertigungstechnischen Aufwand.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß die Misch­ kammern als im Radialschnitt kreisbogenförmige Rinnen mit eben dem Leitradius als Rinnenradius ausgeführt sind, deren Rinnen­ tiefe kleiner ist als der Leitradius, daß die Mischkammern eine Länge aufweisen, die dem Dreifachen bis Vierfachen des Leitradius entspricht, daß die Stege zwischen den Mischkammern in der Oberfläche des Rotors bzw. des Stators eine Stegbreite aufweisen, die kleiner ist als der halbe Leitradius, und daß die Scherspaltweite zwischen Rotoroberfläche und Statorober­ fläche so gewählt ist, daß eine genügend große Scherge­ schwindigkeit realisiert wird. Leitradius bedeutet, daß dieser Radius die beschriebene Geometrie der Zusammenhänge als Leit­ parameter bestimmt. Überraschenderweise erreicht man durch die beschriebene Abstimmung auf den Leitradius auch eine be­ achtliche Verbesserung des Mischwirkungsgrades: Im plastifi­ zierten Zustand stellt ein thermoplastischer Kunststoff zwar eine Flüssigkeit dar, jedoch eine Flüssigkeit eigener Art. Die Strömungsverhältnisse sind bei thermoplastifiziertem Kunststoff außerordentlich kompliziert (Schenkel "Kunststoff- Extrudertechnik", 1963, S. 93 bis 104). Die Durchmischung in einer leichtströmenden Flüssigkeit oder in einem Gas ist dann besonders intensiv, wenn das Strömungsbild das einer turbu­ lenten Strömung ist. Bei thermoplastifiziertem Kunststoff ist die Turbulenzbildung durch die hohe Viskosität beeinträchtigt. Erfindungsgemäß entsteht überraschenderweise eine Durch­ mischung, wie bei homogener isotroper Turbulenz in einem Gas oder in einer leicht strömenden Flüssigkeit. Sie wird durch die besondere Geometrie erzwungen. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Mischkammern mit einem sehr hohen Ord­ nungsgrad angeordnet. Ihre Geometrie ist abgestimmt auf den Leitradius. Das gilt insbes. auch für die Länge. Nach Maßgabe der Viskosität des thermoplastifizierten Kunststoffes muß bei der Auslegung der Vorrichtung eine unterschiedliche Scher­ spaltweite eingerichtet werden, die sich durch Versuche leicht ermitteln läßt. Überraschenderweise bleibt erfindungsgemäß der thermoplastifizierte Kunststoff in den Vertiefungen nicht liegen. Die Turbulenz ist ein Stabilitätsproblem. Sie tritt bei bestimmten Eigenwerten des Systems auf. Insoweit kann die Turbulenz mit einem Resonanzphänomen verglichen werden. Neben Resonanzschwingungen kennt man in der Physik auch die er­ zwungenen Schwingungen. Es kann davon ausgegangen werden, daß erfindungsgemäß eine erzwungene Turbulenz über die Randbe­ dingungen hergestellt wird. Dabei kommt der Länge der Misch­ kammern ebenso wie den beanspruchten Verrundungen, die an den Leitradius angeschlossen sind, eine besondere Bedeutung zu.

Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung weisen die Mischkammern in axialer Richtung einen Abstand auf, der etwa einem Drittel des Leitradius entspricht. Handelt es sich um eine Vorrichtung, die für eine in der Kunststofftechnik üb­ liche Leistung ausgelegt ist, so empfiehlt sich in zahlen­ mäßiger Hinsicht, daß der Leitradius bei einem Durchmesser D des Rotors von etwa 100 mm im Bereich von 10 bis 20 mm ge­ wählt ist, vorzugsweise etwa 15 mm beträgt. Die Länge der Mischkammern kann in der angegebenen Weise variiert werden. Nach bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wählt man die Länge der Mischkammern mit abnehmender Rinnentiefe größer.

Im Rahmen der Erfindung liegt es, daß der Stator eine Be­ heizung aufweist, die ggf. zonenweise, auf eine vorgegebene Mischtemperatur für den thermoplastifizierten Kunststoff regelbar ist. Auf diese Weise läßt sich beim Mischvorgang die Viskosität einstellen bzw. aufrechterhalten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher er­ läutert. Es zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 die Seitenansicht eines Rotors einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1,

Fig. 3 den vergrößerten Ausschnitt B aus dem Gegenstand nach Fig. 2,

Fig. 4 in gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch den Stator einer erfindungs­ gemäßen Vorrichtung, ausschnittsweise,

Fig. 5 einen Schnitt in Richtung C-C durch den Gegenstand nach Fig. 4,

Fig. 6 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung hinter einer Schneckenstrangpresse, ausschnittsweise,

Fig. 7 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schneckenstrangpresse, ausschnittsweise.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Vorrichtung mag an eine Schneckenstrangpresse, d. h. an einen sogenannten Ex­ truder, anschließbar sein. Sie könnte aber auch als Abschnitt in eine solche Schneckenstrangpresse eingebaut sein. Die Durchmesser des Stators 1 und Rotors 2 können dabei beachtlich größer sein als es dem Schneckendurchmesser bzw. dem Zylin­ derdurchmesser der Schneckenstrangpresse entspricht. Die Vor­ richtung dient zum Mischen von thermoplastifiziertem Kunst­ stoff mit Additiven, anderen Kunststoffen o. dgl. Zum grund­ sätzlichen Aufbau gehören der Rotor 2 und der Stator 1, die zwischen sich im montierten Zustand einen Scherspalt 3 bil­ den. Der Rotor 2 sowie der Stator 1 besitzen in Umfangsreihen und in Axialreihen angeordnete Mischkammern 4, die, in radialer Richtung betrachtet, mit einem langgestreckten Grund­ riß mit in Achsrichtung verlaufenden Flanken 5 versehen sind. All diese Mischkammern 4 sind identisch ausgebildet, bis auf die stirnseitigen Mischkammern 4 bzw. die endseitigen Misch­ kammern 4 am Rotor 2 und am Stator 1, die wegen dort ange­ brachter kegelförmiger Teilstücke 6 des Rotors 2 bzw. des Stators 1 anders ausgebildet sein müssen. Die Anordnung ist fernerhin so getroffen, daß die Anzahl der Mischkammern 4 in den Umfangsreihen sowie in den Axialreihen des Rotors 2 einer­ seits und des Stators 1 andererseits übereinstimmen. Die Umfangsreihen des Rotors 2 sind gegenüber den Umfangsreihen des Stators 1 um die halbe Länge L der Mischkammern 4 gegen­ einander versetzt.

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 4 ent­ nimmt man, daß die Mischkammern 4 einen Grundriß aufweisen, der stirnseitig und rückseitig von einem Halbkreis mit dem Leitradius R begrenzt ist. Aus den Fig. 2 und 5 entnimmt man, daß die Mischkammern 4 als im Radialschnitt kreisbogen­ förmige Rinnen mit eben dem Leitradius R als Rinnenradius aus­ geführt sind. Auch die Rinnentiefe T ist auf den Leitradius abgestimmt. Dazu wird insbes. auf die Fig. 3 verwiesen. Man erkennt, daß die Rinnentiefe T kleiner ist als es dem Leitra­ dius R entspricht (T<R). Die Mischkammern 4 weisen eine Länge L auf, die dem Dreifachen bis Vierfachen des Leitradius R (L =3R bis 4R) entspricht. Im Ausführungsbeispiel ist L = 50 mm. Die Stege 7 zwischen den Mischkammern 4 in der Oberfläche des Rotors 2 und des Stators 1 weisen eine Steg­ breite B auf, die kleiner ist als dem halben Leitradius B ent­ spricht (B<R/2). Nicht gezeichnet wurde die Scherspaltweite W zwischen Rotoroberfläche und Statoroberfläche (sie kann aus Maßstabsgründen zeichnerisch nicht dargestellt werden). Sie wird so eingerichtet, daß sie kleiner ist als R/2, vorzugs­ weise kleiner als R/4.

Aus den Fig. 1 und 4 entnimmt man, daß die Mischkammern 4 in axialer Richtung einen Abstand A aufweisen, der etwa einem Drittel des Leitradius entspricht. Im Ausführungsbei­ spiel mag der Durchmesser D des Rotors 2 etwa 100 mm betragen. Dann ist die Anordnung so getroffen, daß der Leitradius R im Bereich von 10 bis 20 mm liegt, vorzugsweise etwa 15 mm be­ trägt. Die Länge L der Mischkammern 4 soll mit abnehmender Rinnentiefe T größer gewählt werden.

Im montierten Zustand besitzt der Stator 1 im allgemeinen eine Beheizung, die, ggf. zonenweise, auf eine vorgegebene Misch­ temperatur für den thermoplastifizierten Kunststoff regelbar ist.

In der Fig. 6 erkennt man rechts eine Schneckenstrangpresse 8, der die erfindungsgemäße Vorrichtung nachgeschaltet ist. Ein Werkzeug 9 schließt sich an. Bei der Fig. 7 ist die er­ findungsgemäße Vorrichtung gleichsam ein Abschnitt der Schneckenstrangpresse 8. Es versteht sich, daß der Kunststoff, der in diesen Abschnitt eintritt, ausreichend, aber nicht vollständig, plastifiziert sein muß.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Mischen von thermoplastifiziertem Kunst­ stoff, - mit Rotor und Stator, die zwischen sich einen Spalt bilden, wobei der Rotor sowie der Stator in Umfangsreihen und in Axialreihen angeordnete Mischkammern aufweisen, die gleich ausgebildet sind und einen langgestreckten Grundriß aufweisen, der stirnseitig und rückseitig von einem Halbkreis mit einem Leitradius (R) begrenzt ist, wobei fernerhin die Anzahl der Mischkammern in den Umfangsreihen sowie in den Axialreihen des Rotors einerseits und des Stators andererseits überein­ stimmt und die Umfangsreihen des Rotors gegenüber den Umfangs­ reihen des Stators um die halbe Länge der Mischkammern gegen­ einander versetzt sind, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mischkammern (4) als im Radialschnitt kreis­ bogenförmige Rinnen mit eben dem Leitradius (R) als Rinnen­ radius ausgeführt sind, deren Rinnentiefe (T) kleiner ist als der Leitradius (R), daß die Mischkammern (4) eine Länge (L) aufweisen, die dem Dreifachen bis Vierfachen des Leitradius (R) entspricht, daß die Stege (7) zwischen den Mischkammern (4) in der Oberfläche des Rotors (2) bzw. des Stators (1) eine Stegbreite (B) aufweisen, die kleiner ist als der halbe Leit­ radius (R), und daß die Scherspaltweite (W) zwischen Rotor­ oberfläche und Statoroberfläche so gewählt ist, daß eine ge­ nügend große Schergeschwindigkeit realisiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammern (4) in axialer Richtung einen Abstand A auf­ weisen, der etwa einem Drittel des Leitradius (R) entspricht.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Leitradius (R) bei einem Durchmesser (D) des Rotors (2) von etwa 100 mm im Bereich von 10 bis 20 mm gewählt ist, vorzugsweise etwa 15 mm beträgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Länge (L) der Mischkammern (4) mit ab­ nehmender Rinnentiefe (T) größer gewählt ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stator (1) eine Beheizung aufweist, die, ggf. zonenweise, auf eine vorgegebene Mischtemperatur für den thermoplastifizierten Kunststoff regelbar ist.