DE4114610C2 - Stifttransferextruder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Verarbeitung und Herstel­ lung von Kautschuk und thermoplastischen Kunststoffen gemäß dem Ober­ begriff des Anspruchs 1 und nach dem Hauptpatent 40 39 942.

Als Austrags- und Homogenisierungsextruder sind in der Vergangenheit durchweg die sogenannten Stiftzylinderextruder eingesetzt worden, wie sie beispielsweise durch die DE-OS 22 35 784 oder die DE-OS 30 03 615 der Anmelderin bekannt sind. Bei Extrudern dieser Bauart ragen Metallstifte radial durch das Extrudergehäuse in den Ver­ arbeitungsraum des Extruders, wobei die Extruderschnecke in dieser Zone unterbrochene Schneckenstege aufweist.

Diese Extruder zeichnen sich durch eine sehr hohe Ausstoßleistung und gute Homogenisierwirkung auf das zu verarbeitende Material aus und ermöglichen außerdem bei gleicher Schneckendrehzahl einen ver­ größerten Materialdurchsatz pro Zeiteinheit im Vergleich zu konven­ tionellen Kaltspeiseextrudern mit Scherteilschnecke.

Diese Vorzüge haben dazu geführt, daß Stiftzylinderextruder in den letzten 15 Jahren zu den am häufigsten eingesetzten Extrudern in der Gummiindustrie wurden.

Unabhängig davon wurde ein Extrudermischteil entwickelt, das als Transfermischteil bekannt geworden ist (DE-AS 11 42 839). Dieses Mischteil ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Extruderschnecke als auch die Innenwand des Extrudergehäuses über eine bestimmte Länge mit Nuten und Stegen versehen ist, wobei in Längsrichtung des Extrudergehäuses die Gangtiefe der Extruderschnecke in dem gleichen Maß bis auf Null abnimmt und anschließend wieder an­ wächst, wie die Gangtiefe der Gehäusenuten zunimmt bzw. wieder ab­ nimmt. Durch diese Ausbildung von Extruderschnecke und -gehäuse wird ein vollständiger Extrudataustausch zwischen den Schneckennuten und den Gehäusenuten möglich, was eine gute Mischwirkung verursacht.

Der Transferextruder konnte gegenüber dem Stiftzylinderextruder einen gewissen Marktanteil für sich beanspruchen, insbesondere dann, wenn die Baulänge des Extruders klein gehalten werden sollte.

Zudem ist aus der US 3 613 160 bekannt, Extruder mit Drosselbau­ teilen zu versehen, mit denen der Extrudattransport im Extruder variabel von außen gesteuert werden kann. Gemäß dieser Druckschrift ist dazu auf dem Schneckenschaft der Extruderschnecke ein in etwa zylindrisches Bauteil angeordnet, das mit der Schnecke mitrotiert und den Verarbeitungsraum stromab vollständig versperrt. Im Bereich dieses zylindrischen Bauteils sind durch das Extrudergehäuse von außen zwei Drosselstifte radial in jeweils einen axial ausge­ richteten Überströmkanal geführt, der in die Innenwand des Ex­ trudergehäuses hineingearbeitet ist.

Bei zurückgezogenen Drosselstiften kann ein Teil des sich stromauf des zylindrischen Bauteils befindlichen Extrudates durch diese Kanäle zum stromabwärtigen Extruderteil gelangen. Durch unterschiedlich tiefes Hineinfahren der Drosselstifte in diese Überströmkanäle, läßt sich dieser Extrudatstrom begrenzen.

Da sich die Technologie dieser Extruder, abgesehen von Detail­ verbesserungen, in den letzten 15 Jahren nicht verändert hat, lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Misch- und Homogeni­ sierungsextruder vorzustellen, der im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen bei verringerten Investitionskosten bei wenigstens gleich guter Mischwirkung eine erhöhte Ausstoßleistung ermöglicht, eine deutlich kürzere Baulänge sowie eine Ausweitung der bisherigen Einsatzgebiete von Misch- und Homogenisierungsextrudern erlaubt. Schließlich sollte die durch diesen Extruder leistbare Plastifi­ zierungsarbeit in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Extrudats frei einstellbar sein.

Durch die Verbindung der beiden bekannten Mischteilbauweisen konnte ein Extruder mit den Merkmalen des Hauptanspruchs geschaffen werden, der gegenüber den Misch- und Homogenisierungsextrudern nach dem Stand der Technik über erhebliche Vorteile verfügt.

So konnte mit einem über einen Stiftzylinderbereich und einen Trans­ ferbereich mit zusätzlichen Stiften verfügenden Extruder festgestellt werden, daß bei gleicher Mischqualität und gleicher Schneckendrehzahl die Antriebsleistung des Extruders bis zu 50% verringert und der Massedurchsatz bis zu 60% bis 100% erhöht werden konnte.

Diese ausgezeichneten Ergebnisse bewirken ferner eine 50%ige Redu­ zierung des Antriebsdrehmomentes, was bei der Herstellung des Ex­ truders zu einer starken Verminderung der Getriebekosten führt. Zu­ dem läßt sich durch die Verbindung der Stiftzylinder und der Trans­ ferteiltechnologie die für die gleiche Mischqualität notwendige Bau­ teillänge des Mischbereiches um ca. 50% gegenüber einem Extruder verringern, der nur nach dem Stiftzylinderprinzip arbeitet.

Durch die Anordnung von verstellbaren Drosselstiften, die in dem Teil des Transferbereichs des Extrudergehäuses radial hineinragen, in dem die Gehäusegänge in etwa ihr größtes Gangvolumen aufweisen, läßt sich der vorgeschlagene Extruder für die Verarbeitung von unterschiedlichen Kautschukmischungen einstellen. Mit der Eindring­ tiefe der Drosselstifte in die Gehäusegänge und den Verarbeitungs­ raum des Extruders, läßt sich somit die Plastifizierleistung bzw. die im Transferteil umgesetzte Friktionsenergie für das Extrudat beliebig und mischungsbezogen vorwählen. Damit kann im Vergleich zu den bisher bekannten gattungsgemäßen Extrudern neben der Schnecken­ drehzahl und der Verfahrensteiltemperatur auf einen weiteren frei wählbaren Prozeßparameter zurückgegriffen werden.

Die Erfindung läßt sich anhand von Ausführungsbeispielen und mit Hilfe der Zeichnung erläutern.

Sie zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Einschneckenextruder ohne Drosselstifte im Transferteil,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Einschneckenextruder mit Drosselstiften im Transferteil,

Fig. 3a-c die graphische Darstellung von Versuchsergebnissen mit einem Extruder der vorgeschlagenen Bauweise im Vergleich zum konventionellen Stiftextruder.

Fig. 1 stellt einen schematischen Längsschnitt durch einen Ein­ schneckenextruder 1 in der Bauform eines Stifttransferextruders dar. Innerhalb des Extrudergehäuses 2 ist eine Extruderschnecke 6 ange­ ordnet, die von einer Antriebseinheit 5 um ihre Längsachse antreibbar ist. Das Gehäuse 2 hat im Bereich seines stromaufwärtigen Endes eine Einlaßöffnung 3 für das zu extrudierende Material, welches den Ex­ truder fertig gemischt und homogenisiert durch die Auslaßöffnung 4 verläßt.

Die Extruderschnecke 6 weist im Einzugsbereich 9 eine Schneckengeo­ metrie auf, die dazu geeignet ist, in an sich bekannter Weise das durch die Einlaßöffnung 3 zugeführte Material in den Extruder ein­ zuziehen und zu plastifizieren.

Stromabwärts dieses Einzugsbereiches ist ein Stiftzylinderbereich 7 vorgesehen, in dem zwei Reihen von Stiften 11 radial durch das Extrudergehäuse 2 In Richtung Schneckenachse in den Verarbeitungs­ raum 14 des Extruders hineinragen. In diesem Bereich 7 sind die Schneckenstege 12 in bekannter Weise in der Stiftebene durchbrochen, um ein Kollidieren mit den Stiften 11 zu vermeiden.

Stromab des Stiftzylinderbereiches 7 ist ein Transferbereich 8 ange­ ordnet, bei dem in diesem Ausführungsbeispiel die Winkel zwischen den Stegen 18 der Extruderschnecke 6 und den Stegen 13 des Ex­ trudergehäuses 2 größer oder gleich 105° sind und untereinander keine zu 90° komplementären Winkel bilden. Der Transferbereich 8 läßt sich in einen Einlauf- und einen Auslaufbereich aufteilen, wobei beide Bereiche durch den Gehäusegang mit der größten Gangtiefe von­ einander getrennt sind. In diesem Transferbereich 8 ist außerdem die Gangzahl im Ein- und Auslaufbereich konstant, wodurch die Anzahl der Stege im Ein- bzw. Auslaufbereich unabhängig von dem Gangquerschnitt im Gehäuse und der Schnecke sind.

Das letzte Verfahrensteil der Extruderschrecke 6 wird durch den Druckerhöhungsbereich 10 gebildet, in dem die Schneckengeometrie so gewählt ist, daß in bekannter Weise der Schmelzedruck auf den notwen­ digen Werkzeugdruck anhebbar ist.

Neben diesem Ausführungsbeispiel sind auch andere Realisierungsmög­ lichkeiten für diesen Stifttransferextruder denkbar. So könnte bei­ spielsweise der Transferbereich 8 auch stromaufwärts vom Stift­ zylinderbereich 7 angeordnet sein, wenngleich die oben vorgestellte Variante die besseren Misch- und Homogenisierungsresultate erbringt. Außerdem sei hier angemerkt, daß der Stiftzylinderbereich auch mit mehr als zwei Stiftreihen seine Misch- und Homogenisierungsaufgabe erfüllt. In Bezug auf das Kosten-Mischungsgüte-Verhältnis ist der Stiftzylinderbereich am günstigsten mit ein bis fünf Stiftreihen aus­ zustatten.

Die bevorzugte Länge der einzelnen Extruderbereiche beträgt bei einer Extruderlänge von 10 Schneckendurchmessern (D) etwa 3 D für den Ein­ zugsbereich, 1,5 bis 10 D, vorzugsweise 1,5 bis 2 D für den Stift­ zylinderbereich, 2 bis 2,5 D für den Transferbereich und ca. 3 D für den Druckaufbaubereich.

Unabhängig von diesen Angaben können aber auch noch je nach Bedarf zusätzliche Verfahrensbereiche vor, nach oder zwischen den Stiftzylinder- und Transferbereichen angeordnet werden, so z. B. Entgasungs- oder Knetbereiche.

In Fig. 2 ist ein Stifttransferextruder 1 mit Drosselstiften 11 im Transferbauteil dargestellt. Der Einlaßbereich 9 dieses Extruders entspricht auch hier dem üblichen Kaltspeise-Extruder und weist ein Verhältnis von Schneckenlänge zu Schneckendurchmesser (D) von drei auf.

Dem Einfüllbereich 9 nachgeordnet ist ein Extruderabschnitt von insgesamt 6 D Länge, in dem sich der Stiftzylinderbereich 7 mit zwei hintereinander angeordneten Stiftebenen mit Stiften 11 be­ findet. Stromab des Stiftzylinderbereiches 7 ist der Transferbereich 8 mit etwa 2 D und der Druckaufbaubereich 9 mit etwa 1,5 D Länge vor­ gesehen.

Die Temperierung des Extrudergehäuses 2 erfolgt in bekannter Weise durch Temperierungsbohrungen 19 in der Gehäusewand. Der Transfer­ teil des Extrudergehäuses ist in diesem Ausführungsbeispiel als Ge­ häusebuchse 20 im Gehäuse 2 arretiert.

Die Steigung der Gänge von Extruderschnecke und Transferteil-Gehäusebuchse sind so gewählt, daß die Stege zwischen der Schnecke und der Buchse einen Winkel von gleich oder mehr als 105° bilden. Daraus resul­ tiert in vorteilhafter Weise, daß das Extrudat beim Passieren dieses Transferteiles, bedingt durch die sich daraus ergebende große Anzahl von Schnittpunkten zwischen Schnecken- und Buchsenstegen pro Schneckenumdrehung, einem intensiven Scherprozeß unterworfen wird.

Im Gegensatz zu den Schneckengängen 15 sind die Buchsengänge im Trans­ ferteil nicht unterbrochen. Sie winden sich vielmehr kontinuierlich und stetig von der Einlaufzone des Transferteils bis zu seiner Aus­ laufzone in etwa zu- bzw. abnehmend spiralförmig um die gedachte Längsachse des Extruders.

Im ersten Drittel des Transferteiles wächst der Schneckenkerndurch­ messer von der max. Gangtiefe bis auf den Außendurchmesser, d. h. das Gangvolumen der Extruderschnecke 6 fällt vom Maximalwert im Einlaufbereich bis auf Null. Die Gangvolumina der Gehäusebuchse 20 weisen die umgekehrte Tendenz auf. Somit wird das für das Extrudat effektiv vorhandene Durchtrittsvolumen in axialer und radialer Transportrichtung konstant gehalten. Zwangsläufig findet auf Grund dieser Gegebenheiten ein hundertprozentiger Extrudataustausch zwischen Extruderschnecke 6 und Gehäuse­ buchse 20 statt.

Beim ca. 1,4 D langen Austrittsbereich des Transferteils gemäß Fig. 2 nimmt das Gangvolumen der Extruderschnecke 6 kontinuierlich zu und bei der Gehäusebuchse 20 kontinuierlich ab, wobei wiederum das für das Extrudat vor­ handene Gesamtgangvolumen von Extruderschnecke und Gehäusebuchse konstant gehalten wird.

Umfangreiche Untersuchungen hatten zum Ergebnis, daß insbesondere bei der Verarbeitung von hochviskosen Naturkautschuk-Mischungen das Vorplastifizieren des Extruders im Stiftbereich bei niedrigen Scher­ gefällen vor der intensiven Plastizierarbeit im Transferteil sich sowohl ausstoßerhöhend als auch positiv auf das Pulsationsverhalten der Maschine auswirken.

Neben der Schneckendrehzahl und den Verfahrensteiltemperaturen ver­ fügt die Maschine über einen weiteren Prozeßparameter, der frei vor­ wählbar ist und die Universalität der Maschine hinsichtlich der Ver­ arbeitbarkeit einer großen Bandbreite von unterschiedlichen Kautschukmischungen erweitert.

Am Ende des ersten Drittels des Transferbereichs 8 befindet sich in dieser Ausführungsform ein Drosselelement, welches symmetrisch am Umfang des Transferbauteils verteilte Drosselstifte 17 aufweist, die radial in die nicht unterbrochenen Gänge der Transferteil-Gehäusebuchse 20 ein­ tauchen und das Gangvolumen der Gehäusebuchse 20 in diesem Bereich vom Maximalwert bis auf Null reduzieren können.

Mit diesen Drosselstiften 17, die von außen entweder manuell oder hydraulisch verstellt werden, kann die Plastifizierleistung bzw. die im Transferteil umgesetzte Friktionsenergie für das Extrudat be­ liebig vorgegeben werden.

Diesen Drosselstiften 17 ist es u. a. zuzuschreiben, daß es mit dem Stifttransferextruder erstmalig gelang, Kautschukmischungs-Quali­ täten zu verarbeiten, die bislang mit Kaltspeiseextrusion, auch durch den Einsatz speziell optimierter Stiftzylinderextruder, nicht mit ausreichender Homogenität verarbeitbar waren. Es handelt sich dabei um Naturkautschuk-Qualitäten beispielsweise für die Herstellung von Panzerkettenstollen als auch Laufstreifenmischungen mit demselben Basispolymer für LKW- und EM-Reifen.

Faßt man die bisher mit einem Extruder der Bauart GE 150 ST×9D er­ zielten Testergebnisse zusammen, so kann man feststellen, daß im Ver­ gleich zum Stiftzylinderextruder bei niedrig viskosen Synthese-Kautschukmischungen bis zu Viskositäten von 55 bis 60 ML 1+4 (100°C) Ausstoßleistungssteigerungen von 25% bis 50% zu erzielen sind, bei einer Reduzierung der spezifischen Energie bis zu 20%.

Bei hochviskosen, schwierig zu verarbeitenden Naturkautschukquali­ täten zwischen 90 bis 120 ML 1+4 (100°C) sind die Vorteile noch relevanter, da, wie sich zeigte, beim Stiftzylinderextruder die Extrudathomogenitätsgrenze bereits bei ca. 800-1000 kg/h Ausstoß erreicht wird und somit in Einzelfällen Leistungsverdoppelungen beim Stifttransferextruder möglich erscheinen.

Die Fig. 3a-c zeigen in graphischer Darstellung Versuchsergeb­ nisse, die mit einem Extruder nach dem Stand der Technik (gestrichel­ te Kurven) und einem Labor-Transferstiftextruder (durchgezogene Kurven) vergleichbarer Größe erzielt wurden. Als Extrudat wurde eine Naturkautschukmischung NK 90-95 ML 1+4 (100°C) verwendet, die als hochviskos und besonders schwierig zu verarbeiten bekannt ist. In allen drei Darstellungen ist durch einen vertikalen Strich mit Schraffur die Drehzahl von 25 Umdrehungen pro Minute markiert, bis zu der herkömmliche Extruder mit vertretbarer Qualität eine solche Kautschukmischung verarbeiten konnten.

In Fig. 3a ist der Kautschukausstoß in Abhängigkeit von der Schneckendrehzahl aufgetragen, während Fig. 3b die Massetemperatur und Fig. 3c den spezifischen Energiebedarf pro kg Extrudat jeweils als Funktion von der Schneckendrehzahl darstellt. Die Zusammen­ stellung dieser drei Graphiken zeigt, daß mit dem hier vorge­ schlagenen Extruderkonzept bei ausgezeichneter Misch- und Homogeni­ sierungswirkung ein hoher Extrudatausstoß bei vertretbarer Extrudat­ temperatur und erheblich verringerten Energieeinsatz möglich wird.

Ergänzend kam hinzu, daß Probleme mit Produktporosität im Profil, die beim Stiftzylinderextruder schon im unteren Leistungsbereich auftraten beim Stifttransferextruder überhaupt nicht festzustellen waren.

Abschließend soll darauf hingewiesen werden, daß der vorgeschlagene Stiftzylinderextruder mit oder ohne Drosselstifte im Transferteil verwendet werden kann, wenngleich bei der optimalen Bauform nicht auf Drosselstifte verzichtet werden sollte. Schließlich läßt sich mit ihrer Positionierung der Extruder auf die unterschiedlichsten Kautschukmischungen und deren Verarbeitungsparameter einstellen und damit universell durch den Anwender benutzen. In einer unvollkommenen Ausführungsform können die verstellbaren Drosselstifte auch am strom­ abwärtigen Ende des Extruders, etwa am Ende des Druckaufbaubereiches 10, angeordnet sein.

Bezugszeichenliste

 1 Extruder
 2 Extrudergehäuse
 3 Einlaßöffnung
 4 Auslaßöffnung
 5 Antriebseinheit
 6 Extruderschnecke
 7 Stiftzylinderbereich
 8 Transferbereich
 9 Einzugsbereich
10 Druckerhöhungsbereich
11 Stifte
12 Schneckensteg
13 Gehäusesteg
14 Verarbeitungsraum
15 Schneckengang
16 Gehäusegang
17 Drosselstift
18 Schneckensteg
19 Temperierungsbohrung
20 Transferteil-Gehäusebuchse
21 Stellvorrichtung

Claims (9)

1. Extruder zur Verarbeitung und Herstellung von Kautschuk und thermoplastischen Kunststoffen, bestehend aus einem Extrudergehäuse (2) mit einer Einlaß- und einer Auslaß­ öffnung (3, 4) sowie einer Antriebseinheit (5) für eine im Ver­ arbeitungsraum (14) des Gehäuses (2) um ihre Längsachse drehbar angeordnete Extruderschnecke (6) gemäß dem Hauptpatent 40 39 942, dadurch gekennzeichnet,
daß der Extruder (1) über zwei hintereinander angeordnete Misch- und Homogenisierbereiche (7, 8) verfügt, daß der eine Bereich als Stiftzylinderbereich (7) mit radial in den Verarbeitungsraum (14) des Gehäuses (2) hineinragenden Stiften (11) und in dem Bereich der Stifte (11) unterbrochenen Schneckenstegen (12) ausgebildet ist,
daß der andere Bereich als Transferbereich (8) ausgelegt ist, in dem die Extruderschnecke (6) von einem Einlaufbereich zu einem Auslaufbereich eine stetige Verringerung ihres Gangvolumens bis auf Null und dann eine Gangvolumenvergrößerung bis auf einen Maximalwert aufweist, in dem das Extrudergehäuse (2) über ununterbrochene Gehäusegänge verfügt, die von dem Einlaufbereich zum Auslaufbereich des Transfer­ teils hin ihr Gangvolumen von Null auf einen Maximal­ wert vergrößern, um anschließend wieder auf ein Gang­ volumen von Null abzufallen, und in dem die Gehäuse­ gänge in etwa wendelförmig um eine gedachte Extruder­ längsachse geführt sind, und
daß im Bereich des maximalen Gangvolumens der Gehäuse­ gänge radial verstellbare Drosselstifte (17) durch das Gehäuse (2) und in die Gehäusegänge (16) sowie in den Verarbeitungsraum (14) hineinragbar angeordnet sind.

2. Extruder gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stiftzylinderbereich (7) stromaufwärts vor dem Transferbereich (8) angeordnet ist.

3. Extruder gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder stromauf der Misch- und Homogeni­ sierungsbereiche (7, 8) über einen Einzugsbereich (9) und stromab über einen Druckerhöhungsbereich (10) verfügt, in dem das Extrudat auf den notwendigen Werkzeugdruck extru­ dierbar ist.

4. Extruder gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vorzugsweisen Extruderlänge von 10 Schneckendurchmessern (D) der Einzugsbereich (9) 3 D, der Stiftzylinderbereich (7) 1,5 bis 2 D, der Transferbereich (8) bis 2,5 D und der Druckerhöhungsbe­ reich (10) etwa 3 D lang ist.

5. Extruder gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Stiftzylinderbereich (7) vorzugsweise ein bis fünf Reihen Stifte (11) angeordnet sind.

6. Extruder gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transferbereich (8) des Extruders derart aus­ gebildet ist, daß die Winkel zwischen den Stegen (12) der Extruderschnecke (6) und den Stegen (13) des Ex­ trudergehäuses (2) größer oder gleich 105° sind und keine zu 90° komplementären Winkel bilden.

7. Extruder gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbaren Drosselstifte (17) am stromab­ wärtigen Ende des Extruders (1) angeordnet sind.

8. Extruder gemäß den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstifte (17) über mechanisch, pneu­ matisch oder hydraulisch betätigbare Stellvorrichtungen (21) verfügen, mit denen diese Stifte (17) über die volle Gehäusegangtiefe radial verstellbar sind.

9. Extruder nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Einlauf- und Auslaufbereich im Transferbereich (8) des Extruders die Gangzahl und somit die Anzahl der Schneckenstege (18) und der Gehäusestege (13) un­ abhängig von der Gehäuse- bzw. Schneckengangquer­ schnittsfläche konstant ist.