DE3833777A1 - Hochgeschwindigkeitsextrusion mit der extruder-zahnradpumpe-kombination - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strangpresse für die kontinuierliche Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei der Herstellung von Halbzeugen und Monofilen aus thermo­ plastischem Kunststoff sind fördersteife Extrusionssysteme bzw. Extruder mit nachgeschalteter Zahnradpumpe in der Regel im Einsatz. Um die Anlage voll auszulasten, muß ein Kompromiß aus möglichst hoher Schneckendrehzahl, zulässigem Verschleiß und möglicher Ausform- und Kühlgeschwindigkeit der Nachfolge­ einrichtungen gefunden werden.

Bei fördersteifen Systemen stellen vor allem für schubfeste bzw. hochviskose Polymere zulässige Torsionsbelastung der Schnecke der durch den erhöhten Förderdruck am Ende der Einzugszone zunehmende Verschleiß die Begrenzungen für die weitere Erhöhung der Plastifiziergeschwindigkeit dar. Die Homogenität wird mit steigender Schneckendrehzahl ohne den Einbau zusätzlicher Misch- und Scherteile ebenfalls schlechter. In Systemen mit glattem Zylinderrohr und nachge­ schalteter Zahnradpumpe sind die Schnecken häufig nicht an die Verfahrensaufgabe angepaßt. Der entlang der Schnecke aufgebaute Druck ist immer noch hoch und dient der Stabili­ sierung der Aufschmelzleistung. Eine erhöhte Produktionsge­ schwindigkeit kann dann nur durch längere Schnecken erreicht werden. Die Beeinflussung des Aufschmelzens durch die äußere Zylinderheizung ist signifikant.

Aus der US-PS 34 86 192 ist eine Schneckenkonstruktion bekannt, die durch eine Schneckenkernbeheizung und einen mehrgängigen Förderkanal die spezifische mechanische Leistung für den Extruder stark herabsetzt und damit den Verschleiß vermindert und gleichzeitig die Aufschmelzleistung ausrei­ chend hoch hält. Um darüberhinaus eine gute Homogenität der geförderten Masse zu erzielen, die für die Förderung mit der Zahnradpumpe notwendig ist, sind am Ende der Schnecke zwei identische Scher-Mischteile direkt hintereinander ange­ bracht. Weiterhin ist aus der DE- 31 33 647 C2 eine Kombina­ tion aus Zahnradpumpe und Planetwalzenextruder bekannt, die jedoch keine Auswirkungen auf die Schneckenkonstruktion hat. Desweiteren sind aus DE-OS 21 20 601 Anordnungen bekannt, bei denen durch einen schnellaufenden Einschneckenextruder das Material eingezogen und plastifiziert wird. In einem zylin­ drischen Zwischenstück, an den ein geringer Unterdruck ange­ legt ist, wird eine Entgasung flüchtiger, monomerer und/oder niedermolekularer Bestandteile aus dem schmelzeförmigen Thermoplast durchgeführt. Durch eine nachgeschaltete größere, langsam drehende Einschnecke wird dann die Schmelze ausgetra­ gen. Bei einer ähnlichen Vorrichtung ist die Ausstrags­ schnecke der Schnelläufer. Einzelne schnellaufende, förder­ wirksame Einschneckenextruder mit Nuten im Einzugsbereich besitzen ein sehr hohes Druckmaximum am Ende der Einzugszone und erfordern ein hohes Antriebsmoment für hochviskose Polymere.

Die Aufgabe der erfindungsgemäßen Schneckengestaltung für die Kombination von Einschneckenextruder und Zahnradpumpe besteht darin, eine Schneckenoptimierung derart durchzuführen, daß das Antriebsmoment auch bei Verarbeitung relativ hochviskoser Schmelzen, z.B. LLDPE, möglichst niedrig ist. Dadurch sollen überdurchschnittlich hohe Schneckendrehzahlen erreicht werden, die hohe Förderleistung bedeuten. Auf eine Schnecken­ kerntemperierung soll dabei verzichtet werden. Der Druckauf­ bau entlang der Schneckenachse soll möglichst gering gehalten werden, da die Zahnradpumpe nur einen geringen Einlaufdruck von ca. 20 bis 50 bar benötigt; sie führt den wesentlichen Druckaufbau in der Schmelze durch. Der Einschneckenextruder soll dabei möglichst nur die zum Aufschmelzen und Homogeni­ sieren notwendige, spezifische Energiedifferenz für den Thermoplasten bereitstellen. Das bedeutet, daß praxisübliche Massetemperaturen nicht überschritten werden dürfen. Dadurch wird es möglich, die Plastifizierung eines Extruders derart zu maximieren, daß im Vergleich zur bisherigen Bauweise die Anlage durch kürzere Extruder kompakter wird. Durch die geringe Bedeutung der äußeren Zylindertemperierung wird der Regelaufwand verringert und durch die hauptsächlich mecha­ nische Energieumsetzung die Homogenität verbessert, ohne die mittlere Verweilzeit unzulässig groß werden zu lassen.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die sich an eine Einzugs- und Aufschmelzzone üblicherweise anschließende sog. Austragszone entfällt oder durch ein kurzes Mischteil ersetzt wird. Innerhalb der Kompressionszone wird durch eine gestufte Scherteil-Dekompressionszonen-Kombination ein gleichzeitig intensives und ausreichend schonendes Aufschmelzen des Thermoplasten erreicht. Die Spaltweiten der Scherteile sind dabei so gewählt, daß einerseits kein unzulässig hoher Druck­ aufbau und damit eine Verringerung der Förderleistung ein­ tritt, andererseits bei Granulataufgabe in der ersten Stufe kein ganzes Granulatkorn den Spalt passieren kann. Die weite­ ren Spaltweiten und Längen der Scherteile sind dann so ange­ paßt, daß eine vorgegebene Schädigungsgrenze in Form einer mittleren Scherdeformation für das geförderte Material nicht überschritten wird. Der Einzugsbereich des Extruders muß direkt unter dem Trichter so gekühlt werden, daß der Reib­ schluß zwischen Material und Zylinderwand bzw. Schnecke erhalten bleibt und die Schnecke nicht "durchrutscht". Die gesamte Schneckenlänge, die sich durch diese Maßnahmen ergibt, ist wesentlich kleiner als die konventioneller oder fördersteifer Bauformen. Die erzielten Durchsätze liegen bei ausreichend geringer Masseaustrittstemperatur um ca. das 2- bis 2,5fache über den bei konventioneller Fahrweise mit langer Einschnecke erzielbaren.

Die nachgeschaltete Zahnradpumpe bewirkt dann einen Druckauf­ bau in der schmelzeförmigen Thermoplastmasse, so daß diese durch angeschlossene Ausformwerkzeuge bzw. Siebeinrichtungen gepreßt werden kann. Die Fördergenauigkeit liegt, durch die Zahnradpumpe bedingt, im für Spinnextrusionsanwendungen üblichen hohen Bereich. Ein weiterer Vorteil der Anordnung mit Zahnradpumpe besteht darin, daß bei geringer Gesamtver­ weilzeit des Förderguts in der Plastifiziereinheit durch die separat einstellbare Drehzahl der Zahnradpumpe und der ihr geregelt angepaßten Extruderdrehzahl der Massedurchsatz auf einfache Art und Weise eingestellt werden kann. Eine Ankopp­ lung an den Gesamtregelverbund der Produktionsanlage ist daher einfach ausführbar.

Anhand eines Ausführungsbeispiels der Erfindung wird im folgenden die Funktionsweise der Anlage näher erläutert.

Die Plastifiziereinheit besteht im wesentlichen aus dem Einschneckenextruder 1 und der Zahnradpumpe 11. Über eine im Zylinderabschnitt 4 a der Einschnecke 6 befindliche Einfüll­ öffnung mit Trichter 2 wird die zu plastifizierende Masse aufgegeben und von der in der Zylinderbohrung 3 sich drehen­ den, angetriebenen Einschnecke 6 erfaßt und in Richtung der Austrittsöffnung 12 gefördert. Der Extruderzylinder ist in den Einzugsteil 4 a, der mittels einer Kühlflüssigkeit, die in den im Mantel des Zylinderabschnittes angeordneten Kühlkam­ mern 5 zirkuliert, temperiert wird, und den Aufschmelzeteil 4 b gegliedert. Zum Anfahren der Anlage ist der Aufschmelz­ teil, damit sich dann alle Stahlteile auf der geforderten Betriebstemperatur befinden, mit zwei elektrischen Heizbän­ dern 8 und zwei darüberliegenden Kühlluftgebläsen 9 verse­ hen. Weiter ist im während des Betriebes mit Schmelze gefüllten Kanal zwischen Schneckenspitze und Saugöffnung der Zahnradpumpe eine Meßsonde 10 angebracht, die ein druckpro­ portionales elektrisches Signal an eine Regeleinrichtung weiterleitet, die die Schneckendrehzahl so regelt, daß ein vorgegebener Sollwert für den Druck an dieser Stelle einge­ halten wird. Am ausstoßseitigen Ende des Extruders ist eine Zahnradpumpe 11 angeflanscht, deren Saugseite mit der Aus­ tragsöffnung des Einschneckenextruders über einen Kanal in Verbindung steht. Auf der Druckseite 12 ist ein beliebiges Düsenwerkzeug anflanschbar.

Der Extruder 1 wird mittels eines an die Schnecke 3 angreifenden Antriebes direkt oder in ein-stufiger Unterset­ zung angetrieben. Das durch den Trichter 2 in den Schnecken­ kanal durch Schwerkrafteinfluß gelangende Material wird von der Einschnecke erfaßt und bis zum Ende der temperierten Zylinderzone 4 a (Einzugszone) vorverdichtet. Dort gelangt es in die über Schmelztemperatur temperierte Zylinderzone 4 b und wird durch kontinuierliche Verringerung des Kanalquer­ schnitts und die einwirkenden, intensiven Scherkräfte aufge­ schmolzen. Die erste Verdichtungsstufe 13 a bewirkt durch den Rückstaueffekt eine Unterstützung der Vorverdichtung. Vorhan­ dene kalte Feststoffquader im Kanal werden durch die erzwun­ gene Masseströmung über den Scherspalt 13 a aufgerissen und durch das anliegende Druckgefälle und die förderaktive Schrägung des Anlaufkonus des Scherteiles 15 a weitertranspor­ tiert. Die anschließende Dekompressionsstufe der Einschnecke mit förderaktivem Steg 14 a verhindert eine unzulässig hohe Scherbelastung, die zu molekularem Abbau bzw. unzulässig hoher Massetemperatur führen kann. Ebenso wird eine Absenkung des mittleren Massedrucks weit unter dem für fördersteife Systeme und konventionelle Extruder üblichen Bereich erreicht. Die Konizität dieser Dekompressionsstufe bewirkt eine erneute Verdichtung, bis die Thermoplastmasse nach Passieren weiterer intensiver Scherteile 15 b und 15 c mit sich verringernden Spaltweiten 13 b und 13 c und in den nachfolgen­ den Dekompressionsstufen 14 b und 14 c vollständig und homogen aufgeschmolzen in die Saugöffnung der Zahnradpumpe 11 gelangt.

Dort wird sie dann nur noch geringer Scherbelastung unterwor­ fen und gelangt bei konstanter Pumpendrehzahl nahezu pulsa­ tionsfrei gegen den Werkzeugwiderstand aus dem Düsenwerkzeug in die wieder die Masse abkühlende Nachfolgeeinrichtung.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Extrudieren von thermoplastischen Kunst­ stoffen, mit einem Ein-Schnecken-Extruder zum Aufschmelzen des Kunststoffes und einer separat antreibbaren Zahnradpumpe am Austrittsende des Extruders, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke zwischen dem Einzugabschnitt und dem Austrittsende aus mehreren Scherteilen mit zum Schnecken­ ende hin sich steigernder Scherdeformation und aus zwischen den Scherteilen liegenden, förderaktiven Dekompressionszonen besteht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Einzugsabschnitt des Extruderzylinders Nuten ange­ ordnet sind, die eine achsparallele Erstreckung haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneckendrehzahl zur Erhöhung der Scherleistung über normal hoch liegt.

4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe mit konstanter Drehzahl angetrieben wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgangsdruck des Extruders durch Verstellung der Schneckendrehzahl geregelt wird.