DE3841728C1 - Ein- oder Doppelschneckenextruder zum Einarbeiten von pulverförmigen oder faserförmigen Additiven in eine thermoplastische Kunststoffschmelze - Google Patents

Ein- oder Doppelschneckenextruder zum Einarbeiten von pulverförmigen oder faserförmigen Additiven in eine thermoplastische Kunststoffschmelze

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DE3841728C1 DE3841728A DE3841728A DE3841728C1 DE 3841728 C1 DE3841728 C1 DE 3841728C1 DE 3841728 A DE3841728 A DE 3841728A DE 3841728 A DE3841728 A DE 3841728A DE 3841728 C1 DE3841728 C1 DE 3841728C1
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Abstract

Es wird ein Ein- oder Doppelschneckenextruder zum wirkungsvollen Einmischen von Additiven in hochviskose thermoplastische, als Schmelze vorliegende Kunststoffe aufgezeigt. Im Bereich der zweiten Einfüllöffnung werden anstelle der wendelförmigen Schneckenstege Schneckenteile angeordnet, mit Scheiben und zwischen diesen angeordneten runden Distanzscheiben. Der radiale Durchmesser der Scheiben entspricht etwa dem Innendurchmesser einer Gehäusebohrung, der Durchmesser der Distanzscheiben etwa dem Kerndurchmesser der Schneckenteile im Einzugsbereich. Die Scheiben weisen auf ihren, dem Innenzylinder des Extruders zugewandten Rücken eine förderwirksame Profilierung auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Ein- oder Doppelschneckenextruder der Gattung, wie beschrieben im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
  • Ein gattungsgemäßer Doppelschneckenextruder ist aus der US-PS 34 53 356 bekannt.
  • In eine erste Einfüllöffnung wird ein thermoplastischer Kunststoff eingegeben und aufgeschmolzen. In den aufgeschmolzenen Kunststoff werden dann durch eine zweite, stromabwärts angeordnete Einfüllöffnung zerkleinerte Glasfasern eingegeben.
  • Unterhalb der zweiten Einfüllöffnung, die eine große Fläche des Innenzylinders für sich beansprucht, sind wendelförmige Förderstege auf der Schnecke angeordnet. Der Fördervorgang eines Extruders wird erreicht durch ein Anhaften der Schmelze an der Innenwandung des Zylinders bei gleichzeitiger Abschabung der Schmelze durch die wendelförmigen Stege. Je besser das Material an der Innenwandung des Zylinders haftet, um so besser ist die Förderleistung durch die das Material vor sich herschiebenden, wendelförmigen Schneckenstege.
  • Da durch die Fläche der zweiten Einfüllöffnung ein beträchtlicher Teil der für eine Materialförderung benötigten Zylinderfläche aufgebraucht wird, ist bei Extrudern in diesem Bereich eine sehr mangelhafte Materialförderung festzustellen. Das Material verbleibt zu einem großen Teil in den Schneckengängen als Block- bzw. Laminarströmung, ohne eine abrollende Bewegung an der Wandung des Innenzylinders durchzuführen, wenn die Wandung, d. h. in diesem Fall die Zylinderinnenfläche, bedingt durch die zweite Einfüllöffnung fehlt.
  • Es werden in zunehmendem Maß Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften vom Markt verlangt. Um den Kunststoffen diese Eigenschaften zu verleihen, müssen besondere Additive, wie eine spezielle Rußsorte in Pulverform oder Fasern und dergleichen, in die Kunststoffe eingemischt werden. Es bereitet erhebliche Probleme, z. B. freien Ruß in Pulverform in geschmolzene Polymere einzumischen und eine hohe Homogenität der Mischung zu erzielen. Insbesondere wenn aus dem Spezialkunststoff eine dünne Folie (25 µm) hergestellt werden muß, ist eine absolute Homogenität von ausschlaggebender Bedeutung.
  • Auf der anderen Seite ist ein hoher Ausstoß auch eines Extruders für Spezialkunststoffe von großem wirtschaftlichen Wert, weil die Investitionskosten für eine Extruderanlage erheblich sind. Für eine gute Homogenität des Kunststoffes mit den eingemischten Additiven werden bisher sehr lange Extruder eingesetzt, um über die verlängerte Mischzeit zu einer entsprechenden Homogenität zu gelangen. Längere Extruder erhöhen jedoch den Investitionsbedarf dafür überproportional.
  • Aus der DE-OS 30 14 643 ist bekannt, auf den Zugankern von kämmenden Doppelschneckenextrudern exzentrisch gelagerte Knetscheiben anzuordnen, die ein Spiel zwischen den Exzenterscheiben und der Wandung des Gehäuses aufweisen, das größer ist als das während der Rotation konstante Spiel der beiden Knetscheiben untereinander. Durch diese Anordnung wird die metallische Berührung der Schnecken- und Gehäuseoberflächen vermieden, wodurch der Verschleiß verringert wird.
  • In der AT-PS 284 424 wird ein Einschneckenextruder für die Herstellung eines aufschäumbaren Polystyrols beschrieben. In der Wandung des Extruderzylinders ist eine Einspritzdüse für das Treibmittel vorgesehen. Im Ausstoßbereich des Extruders sind Ringscheiben eingefräst, so daß scheibenförmige Teile mit förderwirksamer Profilierung auf dem radialen Rücken erhalten werden.
  • Aus der DE-PS 8 13 154 sind Kurvenscheiben bekannt, die auf Zugankern wendeltreppenartig gegeneinander versetzt angeordnet sind. Dabei sind die Kurvenscheiben so gestaltet, daß zwei gegenüberliegende Scheiben sich in jeder Drehstellung an einem Punkt ganz oder annähernd berühren.
  • Aus der CH-PS 453 666 ist ein kämmender Doppelschneckenextruder bekannt mit einer im Abstand von der Austrittsöffnung der Mischung angeordneten Einfüllöffnung für einen brechbaren Stoff. Zwischen Schneckenförderelementen sind zusätzlich Knetelemente angeordnet, die für das Zerkleinern der Glasfaserbündel eingesetzt werden.
    •
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Ein- oder Doppelschneckenextruder mit einer zweiten Materialeinfüllöffnung derart weiterzubilden, daß damit sehr gute Homogenisierergebnisse erzielt werden, ohne eine aufwendige Konstruktion der Schnecke zu verursachen und einen langen Extruder einsetzen zu müssen. Die Homogenisierergebnisse auch schwer zu vermischender Kunststoffe, z. B. hochviskose Kunststoffe und freier Ruß, sollen verbessert werden.
  • Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des ersten Patentanspruchs aufgeführten Merkmale in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst. Weiterbildungen des Grundgedankens der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
  • Die Anordnung der zwischen Schneckenabschnitten angeordneten förderwirksamen Scheiben unterhalb der Einfüllöffnung für die Additive verursacht ein Fördern der Schmelze in diesem Bereich. Der Schmelzefluß wird z. B. bei einer Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre auf Doppelschneckenextruder von dem freien Raum zwischen den Scheiben der einen Schnecke zum Raum zwischen den Scheiben auf der benachbarten Schnecke forciert. Es erfolgt somit eine Längs- und Quermischung der Schmelze.
  • Durch die Scheiben, die auf ihrem Rücken in bevorzugter Weise eine Schrägverzahnung in Form von schrägverlaufenden Nuten aufweisen, wird ein pulverförmiges Additiv sofort in die Schmelze eingezogen und erfährt eine erste Vermischung damit. Die förderwirksame Schrägverzahnung der Scheibenrücken drückt die Schmelze und das pulverförmige Additiv in den Zwischenraum zwischen zwei Scheiben. Der Zwischenraum wird gebildet durch eine im Durchmesser kleiner bemessene Distanzscheibe, die etwa einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des Schneckenkerns im Einfüllbereich der Schnecke entspricht. Bei Doppelschnecken ist der Kerndurchmesser beider Schnecken im allgemeinen über die gesamte Schneckenlänge gleichbleibend. Bei Einschneckenextrudern ist der Kerndurchmesser der Schnecke im allgemeinen ab der Meteringzone in Arbeitsrichtung zunehmend ausgebildet.
  • Es werden pulver- oder faserförmige Additive in die zweite Einfüllöffnung eingegeben. Es erfolgt ein sofortiger Materialeinzug, der mit einer überraschend guten Vermischung einhergeht. Die Förderleistung des Extruders im Vergleich mit Extrudern mit wendelförmigen Stegen im Bereich der zweiten Einfüllöffnung wird in nicht zu erwartender Weise erhöht. Die erhöhte Förderleistung ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß im Bereich der zweiten Einfüllöffnung, die sonst übliche laminare Strömung in den Schneckengängen aufgerissen wird, die ohne ein Abrollen der Schmelze an der Zylinderinnenwandung keine Förderwirkung hat. Durch die Scheiben mit ihren verzahnten Rücken erfolgt auch unterhalb einer Einfüllöffnung eine Förderung und eine Materialvermischung.
  • Beim Einsatz der Erfindung in Doppelschneckenextrudern wird durch die versetzte Anordnung der Scheiben und der Distanzscheiben zu den Scheiben und Distanzscheiben der benachbarten Schnecke erreicht, daß die Schmelze und die Additive jeweils in Arbeitsrichtung über die Rücken der Scheiben zum freien Raum zwischen den im Durchmesser kleiner bemessenen Scheiben und der Zylinderinnenwandung der benachbarten Schnecke gefördert werden. Es erfolgt eine Förderung der Schmelze jeweils von dem einen freien Zwischenraum zwischen den Scheiben zum gegenüberliegenden Zwischenraum zwischen den Scheiben der benachbarten Schnecke, wodurch ein sehr schnelles Einziehen der Additive in die Schmelze erreicht wird.
  • Durch die Schrägverzahnung der runden Scheiben auf den Scheibenrücken erfolgt eine Förderung der Schmelze. Gleichzeitig wird die Mischung zu sehr dünnen Schichten ausgewalzt bzw. aufgerissen, wodurch der hervorragende Einzug von pulver- oder faserförmigen Additiven weiter begünstigt wird. Der Schmelzefluß wird durch jeden Zahn erneut aufgerissen und umgeschichtet.
  • Aufgrund dieses vielfachen Umschichten aller Bestandteile wird insbesondere bei schwierig zu vermischenden, hochviskosen Kunststoffen ein ausgezeichneter Einzug der Feststoffteilchen erreicht.
    •
  • In den Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt und nachfolgend beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Einschneckenextruder.
  • Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Längsschnitt eines Doppelschneckenextruders.
  • Fig. 3 einen Querschnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 2 durch Zahnscheiben.
  • Fig. 4 einen Querschnitt durch Zweispitzscheiben, ähnlich der in Fig. 3 gezeigten Scheibe.
  • Fig. 5 einen Querschnitt durch Dreispitzscheiben.
  • Fig. 6 einen Querschnitt durch exzentrisch angeordnete runde Scheiben.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Einschneckenextruder weist eine Schnecke 1 in einem Zylinder 2 auf. In dem Zylinder sind zwei Einfüllöffnungen 3 und 4 für einen thermoplastischen Kunststoff eingebracht.
  • Unterhalb der Einfüllöffnung 4 weist die Schnecke Scheiben 5 auf. Die Scheiben 5 können durch Herausfräsen aus einem zylinderförmigen Teil hergestellt werden oder auch durch einzelne Scheiben 5, der auf einen axialen Dorn 7 aufgeschoben werden.
  • Zwischen den Scheiben 5 werden im Wechsel runde Distanzscheiben 6 auf dem Dorn 7 angeordnet.
  • Die Scheiben können rund oder auch eckig, wie gezeigt in den Fig. 3-6, ausgebildet sein.
  • In Fig. 3 wird ein Querschnitt etwa entsprechend der Linie III-III in Fig. 2 durch Scheiben 5 gezeigt. Der Scheibenrücken 8 weist in dieser Ausführungsform eine Profilierung auf, die durch axiale Nuten 9 gebildet wird. Die Nuten 9 sind axial zur Schneckenlängsachse angeordnet. Die in Fig. 1 und 2 gezeigte Ausführungsform der Scheiben 5 besitzt schräge Nuten 10, die eine Förderwirkung der Scheiben 5 nach sich ziehen.
  • In Fig. 2 wird eine Draufsicht auf einen gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder gezeigt mit Schnecken 11 und 12, die sich aus einzelnen, auf Zugankern 13 und 14 aufgeschobenen Schneckenteilen zusammensetzen. Alternativ können auch die Schnecken 11 und 12 aus einem zylindrischen Vollmaterial hergestellt sein.
  • Unterhalb der zweiten Einfüllöffnung 4 sind Scheiben 5 im Wechsel mit Distanzscheiben 6 angeordnet.
  • Es verbleiben jeweils zwischen den Scheiben 5 und den Distanzscheiben 6 Zwischenräume 16 bis 22.
  • Ein als Schmelze vorliegender Kunststoff wird von den Schnecken 12 und 11 in den Zwischenraum 16 gefördert. Durch die nachfolgende Schmelze wird dann der nächste Zwischenraum 17 auf der gegenüberliegenden Seite durch die Schmelze angeströmt, nachdem die Schmelze die Scheibenrücken 15 und die Nuten 10 passiert hat.
  • Im weiteren Verlauf gelangt dann die Schmelze über die jeweiligen Nuten 10 in die Zwischenräume 18 bis 22. Die Schmelze wird somit jeweils von dem einen, auf Zugankern 14 angeordneten Scheibenteil zum benachbarten auf Zugankern 13 angeordneten Scheibenteil hin- und hergefördert, so daß sehr dünne Schichten gebildet werden. Es erfolgt eine ausgezeichnete Längs- und Quermischung.
  • Die unterhalb einer Einspeiseöffnung gemäß dem Stand der Technik festzustellende Blockströmung in den Schneckengängen, die verursacht wird durch die fehlende Zylinderinnenfläche im Bereich der Einfüllöffnung, wird vermieden. Es erfolgt eine ständige Umschichtung durch die Scheiben, die zu neuen Oberflächen führt. In überraschender Weise ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Schneckenabschnittes unterhalb der zweiten Einspeiseöffnung die Materialförderung gut trotz der Tatsache, daß durch die Fläche der Einfüllöffnung ein Teil der Zylinderinnenfläche für den Fördervorgang verloren geht. Insbesondere bei hochviskosen Kunststoffschmelzen wurde eine Erhöhung des Ausstoßes des Extruders festgestellt.
  • In Fig. 4 bis 6 werden weitere Ausführungsformen der Scheiben gezeigt. In Fig. 4 und 5 sind sogenannte Zweispitzscheiben 23 bzw. Dreispitzscheiben 24 wiedergegeben, die sich beim Umlauf gegenseitig abstreichen und daher einen hohen Selbstreinigungseffekt aufweisen. Die Mischung wird in feine Schichten ausgewalzt, so daß eine hervorragende Mischwirkung erzielt wird.
  • In Fig. 6 werden runde Scheiben gezeigt, die jedoch exzentrisch auf den Schneckendornen angeordnet sind. Der Scheibe 26 ist auf dem benachbarten Zuganker 13 eine Distanzscheibe 27 gegenüber angeordnet, wodurch Zwischenräume 28 geschaffen werden.
  • Die Zwischenräume 28 sind jeweils versetzt angeordnet, wodurch bei gleichsinnig drehenden Schnecken eine Weitergabe der Schmelze in Förderrichtung erreicht wird, bei gleichzeitiger Schaffung vieler dünner Schichten der Mischung, die eine gute Längs- und Quermischung nach sich ziehen.
  • Auf die Rücken der Zweispitz- oder Dreispitzscheiben 23 und 24 können schräg zur Schneckenachse verlaufende Nuten angeordnet werden, um die Förderwirkung dieser Scheiben zu erhöhen.
    • Vergleichsbeispiele
  • Es werden Versuche gefahren mit HD-Polyäthylen, welches als Granulat in die erste Einfüllöffnung eingegeben und im Bereich der zweiten Einfüllöffnung als Schmelze vorliegt.
  • Es wird ein Doppelschneckenextruder eingesetzt wie gezeigt in der eingangs erwähnten US-PS 34 53 356.
  • In die HD-PE-Schmelze wird durch die zweite Einfüllöffnung 40% freier Ruß eindosiert. Der Extruder hat Schnecken mit einem Durchmesser D von 60 mm und ist 20 D lang. Die Schneckendrehzahl beträgt 300 Umdrehungen pro Minute. Es wird ein Durchsatz von 80 kg pro Stunde gemessen. Die Homogenität der Mischung ist mangelhaft, so daß daraus nur minderwertige Spritzgußartikel hergestellt werden können.
  • Bei einem Vergleichsversuch mit einem Doppelschneckenextruder, mit Schnecken mit einem Durchmesser D von 60 mm und einer Schneckenlänge von 10 D (300 Umdrehungen pro Minute), jedoch mit Scheiben, wie in Anspruch 1 beansprucht (Scheibendicke 0,75 D), wird ein Ausstoß von 198 kg pro Stunde erzielt. Insbesondere weist die Kunststoffmischung eine ausgezeichnete Homogenität auf, was festgestellt wird, wenn nach dem Blasverfahren davon eine Kunststoffolie einer Dicke von 25 µm hergestellt wird.
    Bezugszeichenliste:
    1 Schnecke
    2 Zylinder
    3 Einfüllöffnung
    4 zweite Einfüllöffnung
    5 Scheiben
    6 Distanzscheiben
    7 Dorn
    8 Scheibenrücken
    9 axiale Nuten
    10 schräge Nuten
    11 Schnecke
    12 Schnecke
    13 Zuganker
    14 Zuganker
    16 Zwischenraum
    17 Zwischenraum
    18 Zwischenraum
    19 Zwischenraum
    20 Zwischenraum
    21 Zwischenraum
    22 Zwischenraum
    23 Zweispitzscheiben
    24 Dreispitzscheiben
    25 exzentrische Scheibe
    26 exzentrische Scheibe
    27 Distanzscheiben
    28 Zwischenräume

Claims (6)

1. Ein- oder Doppelschneckenextruder für die Einarbeitung von pulverförmigen oder faserförmigen Additiven in eine Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffes mit einer Einfüllöffnung für den als Granulat vorliegenden, im Verlauf des Einzugsabschnittes und der folgenden Meteringzone aufzuschmelzenden Kunststoff und mit einer zweiten Einfüllöffnung für die Additive, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der zweiten Einfüllöffnung (4) des Extruders anstelle der wendelförmige Stege aufweisenden Schnecke an sich bekannte Scheiben (5, 23, 24, 25) angeordnet sind, die sich mit runden Distanzscheiben (6, 27) abwechseln,
daß die Scheiben (5, 23, 24, 25) auf ihren Rücken eine an sich bekannte förderwirksamen Profilierung aufweisen,
daß die Distanzscheiben (6, 27) etwa einen Durchmesser entsprechend dem Kerndurchmesser der Schnecke im Einfüllbereich aufweisen, und
daß die Scheiben (5, 23, 24, 25) und die Distanzscheiben (6, 27) eine Dicke von 0,1 bis 1,5 D (D= Schneckendurchmesser) aufweisen.
2. Ein- oder Doppelschneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Einfüllöffnung (4) für die pulver- oder faserförmigen Additive 0,5-3 D lang ausgebildet sind.
3. Doppelschneckenextruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (5, 23, 24, 25) und Distanzscheiben (6, 27) der nebeneinanderliegenden Schnecken (11, 12) in Arbeitsrichtung im Wechsel hintereinander auf Zugankern (13, 14) angeordnet und kämmend mit den Scheiben (5, 23, 24, 25) und Distanzscheiben (6, 27) der benachbarten Schnecke derart ausgebildet sind, daß jeweils den Scheiben der einen Schnecke (11) Distanzscheiben der benachbarten Schnecke (12) gegenüberliegen.
4. Ein- oder Doppelschneckenextruder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben als Zweispitzscheiben (23) ausgebildet sind.
5. Ein- oder Doppelschneckenextruder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben als Dreispitzscheiben (24) ausgebildet sind.
6. Ein- oder Doppelschneckenextruder nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben als Exzenterscheiben (25, 26) ausgebildet sind.
DE3841728A 1988-12-10 1988-12-10 Ein- oder Doppelschneckenextruder zum Einarbeiten von pulverförmigen oder faserförmigen Additiven in eine thermoplastische Kunststoffschmelze Expired - Lifetime DE3841728C1 (de)

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