DE4301431C2

DE4301431C2 - Zweistufenreihen-Extruder

Info

Publication number: DE4301431C2
Application number: DE4301431A
Authority: DE
Inventors: Yoshinori Murata; Yukio Goto; Yukio Tamura; Ryoji Mouri; Toshio Miki; Masaaki Ishikawa
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1992-02-27
Filing date: 1993-01-20
Publication date: 1996-03-14
Anticipated expiration: 2013-01-21
Also published as: US5413475A; DE4301431A1; US5393213A

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweistufenreihen-Extruder zum Schmelzen und Mischen von Kunststoffen, Gummi bzw. Kautschuk o. dgl. und zum Granulieren oder zum anderweitig verschiedenartigen Formen von Filmen, Folien bzw. Lagen, Rohren usw.

Mit einem Zweistufenreihen-Extruder oder zweistufigen Reihenextruder, bei dem zwei Extruder bzw. Strangpres sen in Reihe geschaltet sind, können bekanntlich das Schmelzen und Mischen verbessert werden; insbesondere für das Direktformen bzw. -spritzen von Filmen, Folien o. dgl. unter Verwendung von Ausgangsmaterialien, deren Schmelzen und Mischen als schwierig angesehen wird, kann nur ein derartiger Zweistufenreihen-Extruder ein gesetzt werden, weshalb dieser in neuerer Zeit verbrei tet verwendet wird. Da es vor Einführung dieses Zwei stufenreihen-Extruders unmöglich war, schwierig zu schmelzendes und zu mischendes Material unmittelbar zu formen bzw. zu spritzen, wurde das Material durch Auf schmelzen und Mischen zunächst granuliert (zu Pellets geformt); Filme, Folien o. dgl. wurden dann mittels der bereiteten Pellets in einer getrennten Spritzstraße hergestellt.

Fig. 21 zeigt den Aufbau eines Zweistufenreihen-Ex truders nach dem Stand der Technik. Gemäß Fig. 21 ist ein Extruder im rechten oberen Abschnitt ein Extruder der ersten Stufe, und ein im linken unteren Bereich gezeigter Extruder ist ein solcher der zweiten Stufe, wobei ein Extrudier- bzw. Spritzende des Extruders der ersten Stufe und ein Schmelzharz-Einführende des Extru ders der zweiten Stufe durch ein Verbindungsrohr 7 miteinander verbunden sind.

Normalerweise besitzen eine Schnecke 1 und ein Zylinder 2 des Extruders der ersten Stufe oder Vorstufen-Extru ders einen kleinen Durchmesser, und sie arbeiten mit hoher Drehzahl, um die Plastifizier- und Schmelzfunk tionen auszuführen; eine Schnecke 8 und ein Zylinder 9 des Extruders der zweiten Stufe sind mit großem Durch messer und für Betrieb mit niedriger Drehzahl für die Durchführung von Kühl- und Homogenisierfunktionen sowie einer Pumpfunktion ausgelegt. Die Anordnung nach Fig. 21 umfaßt ferner eine Drehzahluntersetzung-Antriebs einheit 3, einen Elektromotor 4, eine Aufwärm-Heizeinheit 5, einen Fülltrichter 6, eine Drehzahlunter setzung-Antriebseinheit 10, einen Elektromotor 11, eine Aufwärm-Heizeinheit 12, eine Zylinderkühlein heit 13 und einen Spritzkopf 14, wobei mit 15 ein extru diertes Erzeugnis oder Spritzerzeugnis bezeichnet ist. Der oben beschriebene bisherige Zweistufenreihen-Extru der ist in der US-PS 3 860 220 beschrieben. Ähnliche Extruder sind in der DE-OS 23 04 088 und in der DE-OS 24 08 936 beschrieben.

Wenn sich zwei Extruder, wie beschrieben, in die Funk tionen teilen, kann mittels eines Extruders kleiner Abmessungen mit hoher Leistung ein Erzeugnis einer ho hen Güte extrudiert bzw. gespritzt werden. Um weiterhin auch bei schwer mischbaren Materialien seine Aufgabe voll erfüllen zu können, wurde in der JP-OS 3-126519 (1991) ein Extruder vorgeschlagen, bei dem der Quer schnitt unter einem rechten Winkel zur Zylinderachse des Vorstufen-Extruders über ein Teilstück oder den Gesamtbereich in der Längsrichtung des Zylinders mehreckig oder mit einer ähnlichen Form ausge bildet ist. Die Verwendung eines mehreckigen Extruderknet- und -mischteiles ist an sich aus der DE-OS 25 16 376 bekannt.

Normalerweise übernimmt der Vorstufen-Extruder die Auf gabe des (Auf-)Schmelzens und Mischens der Ausgangs materialien, während der Extruder der zweiten Stufe bzw. der nachgeschaltete Extruder das Homogenisieren der geschmolzenen Materialien und das Spritzen derselben in stets stabiler Weise gegen den Widerstand des Spritzkopfes übernimmt. Aufgrund der in neuerer Zeit verlangten vielfältigen und komplizierten Erzeug nisse wurden jedoch in zunehmendem Maße schwierig zu mischende Materialien eingesetzt. Dies bedeutet, daß in zunehmendem Maße Polymergemische, d. h. Gemische aus verschiedenen Harzarten, oder mit einer großen Menge an verschiedenen Füllstoffen vermischte Harze gespritzt werden. Da abhängig vom Ausgangsmaterial ein unzurei chendes Vermischen stattfindet oder eine volle Misch leistung erreicht werden soll, ist es in manchen Fällen nötig, die Schneckenlänge des Vorstufen-Extruders zu vergrößern.

Um beim Extruder gemäß der genannten JP-OS 3-126519 (1991) die Mischleistung des Vorstufen-Extruders zu erhöhen, ist ein Teilstück des Zylinders mit einem mehreckigen Querschnitt geformt. Mit diesem Extruder können gewisse Leistungsverbesserungen erzielt werden. Da Förder- und Plastifizierleistung für Ausgangsmate rialien je nach der Zahl der Ecken der Mehreckform und den Sollwerten der Steigung und dgl. des Vorstufen-Ex truders erheblich verschieden sind, besteht dabei die Gefahr, daß in der Praxis je nach dem Ausgangsmaterial das Mischen immer noch ungenügend sein kann. Aus diesem Grund wurde die Entwicklung einer Schnecke und eines Zylinders mit ausgezeichneter Mischleistung und mit einer praktischen Ausgestaltung dahingehend, daß die Konfigurationen des mehreckigen oder Polygon-Zylinders und der Vorstufen-Schnecke innerhalb eines bestimmten begrenzten Bereichs gewählt werden kann, angestrebt.

Die Schnecke des nachgeschalteten Extruders (zweite Stufe) dient zum Homogenisieren des im Vorstufen-Extru der nahezu aufgeschmolzenen Harzes und zum Extrudieren bzw. Spritzen desselben mit konstanter Geschwindigkeit, um das Spritzen bezüglich sowohl der Menge als auch der Temperatur stabil durchzuführen.

Es ist bekannt (Fig. 22 bis 25; US-PS 2 453 088), bei einem einachsigen Extruder am Vorderende der Schnecke einen sogenann ten Dulmage-Teil vorzusehen, an dem eine Anzahl von Rippenrei hen angeordnet ist. Bei den bekannten Dulmage-Teilen sind die Misch- und Knetwirkungen begrenzt. Insbesondere kann dann, wenn die Tiefe der Schneckengänge zu groß ist, die sich im Schnec kengang ergebende ungleichmäßige Temperaturverteilung des Har zes nicht beseitigt werden, so daß ein Harz ungleichmäßiger Temperaturverteilung extrudiert wird, was zu unannehmbaren Er zeugnissen führt.

Fig. 22 zeigt ein Beispiel einer repräsentativen Zahn kranz-Schnecke (vierstufig). Fig. 23 ist ein Quer schnitt durch einen Steg- oder Rippenteil, senkrecht zu seiner Achse. Bei der Schnecke für einen einachsigen Extruder gemäß Fig. 22 ist am Spitzen- oder Vorderende einer Schnecke 131 ein Dulmage-Teil 132 zur Verbesse rung der Misch-Knetleistung angebracht. Dieser Dulmage-Teil 132 besteht aus mehreren Stufen von Rippenteilen 135a mit jeweils mehreren Nuten 134 und Rippen 133 am Außenumfang sowie einem in Umfangsrichtung offenen Zylinderteil 135 eines Außendurchmessers, der etwas kleiner ist als ein Teilkreis der Nuten 134.

Gemäß Fig. 22 wird von der Schnecke 131 dem Dulmage-Teil 132 zugespeistes Harz durch die Rippen 133 aufge teilt, um dann unter Drehung in den kleinen, halbkreis förmigen Nuten 134 stromab zu strömen und im Zylinder teil 135 zum Mischen und Kneten wieder vereinigt zu werden. Anschließend wird es durch die stromabseitigen Rippen 133 (erneut) aufgeteilt und in die Nuten 134 eingeführt, so daß dadurch das Mischen und Kneten des Harzes erfolgen kann.

Hierbei ist die Drehung des Harzes in den Nuten 134 zu beachten. Fig. 24 zeigt in vereinfachter Form einen Dreh(ungs)zustand des Harzes in einer Nut 134, wobei in der Nähe einer Schnecken(ober)fläche befindliches Harz 136 sich auf die durch einen Pfeil 137 angedeutete Wei se zur Sohle der Nut 134 bewegt oder verlagert. Sodann dreht es sich längs der Nut 134 zur Außenumfangsseite und dreht oder kreist, wie durch einen Pfeil 138 angedeutet, längs der Zylinderinnenfläche. Danach dreht oder kreist es wiederum längs der Nut 134 zur Sohle der Nut 134 und strömt, wie durch einen Pfeil 139 angedeu tet, aus der Nut 134 zum nächsten Zylinderteil aus.

Bekanntlich variiert die Zahl der Umdrehungen oder Umläufe des jede Stufe durchströmenden Harzes innerhalb der Nut 134 natürlicherweise in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen des Extruders, d. h. Drehzahl der Schnecke, Zylindertemperatur, Druck des Harzes am Vorderende der Schnecke und dgl., sofern die Form der Nuten 134 identisch ist.

Bei einem einachsigen Extruder mit eingebauter Dulmage typ-Schnecke erfährt somit je nach seinem Betriebszu stand gemäß Fig. 25 das an der Sohle der Nut im Einlauf teil der Nut 134 des Dulmage-Teils 132 vorhandene Harz 140 eine Umlauf- oder Kreiseibewegung längs der Innenflächen der Nut 134 und des Zylinders 130, wie durch Pfeile 141, 142 und 143 angedeutet, worauf das Harz am Auslaß der Nut 134 wiederum deren Sohle er reicht, wobei sich in einigen Fällen die Phase des Har zes in der Rippennut nicht ändert. In einem solchen Fall wird die Bedeutung der Aufteilung des Harzes durch die Rippen 133 und seines Umlaufens oder Kreisens in den Nuten 134 herabgesetzt.

Beim beschriebenen bisherigen Dulmage-Teil gemäß Fig. 22 werden bezüglich der Konfigurationen der Rippen 133 und der Nuten 134 in jeder Stufe solche gleicher Form verwendet; die Zahl der Umdrehungen des Harzes in jeder Nut bzw. in den einzelnen Nuten 134 ist daher (jeweils) gleich. Wenn das an der Nutsohle im Einlaufteil der Nut 134 vorhandene Harz je nach dem Betriebszustand des einachsigen Extruders in der Nut 134 eine Umdrehung oder ein ganzzahliges Vielfaches einer Umdrehung aus führt, ist in einigen Fällen das von der Schnecke 131 zugeführte Harz, insbesondere das in der Nähe der Ober fläche der Schnecke 131 befindliche Harz, auch nach dem Durchgang durch den Dulmage-Teil nahezu nicht gemischt und geknetet. In einem solchen Betriebszustand ist die Misch- und Knetleistung ebenfalls beträchtlich ver schlechtert, wobei sich eine ungleichmäßige Temperatur verteilung und ein ungleichmäßiger Knetzustand ergeben.

Wie erwähnt, ist die bekannte Dulmagetyp-Schnecke eines einachsigen Extruders oder einer Spritzgießmaschine mit dem (strukturellen) Nachteil behaftet, daß dabei ein Betriebszustands- oder -bedingungsbereich vorliegt, in welchem die Misch- und Knetleistung stark beeinträch tigt ist und sich eine ungleichmäßige Temperaturver teilung und ein ungleichmäßiger Knetzustand ergeben.

Gegenüber den bekannten Zweistufenreihen-Extrudern ist ein Zweistufenreihen-Extruder gemäß der Erfindung durch die Merk male des Patentanspruchs 1 definiert.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Zweistufenreihen-Extruders ge mäß Patentanspruch 1 sind in den Unteransprüchen angegeben.

Durch einen Zweistufenreihen-Extruder gemäß der Erfindung wer den gegenüber dem Stand der Technik wichtige Vorteile erzielt. Zum einen kann bei gleicher Abgabemenge die Schneckendrehzahl im Erststufen-Extruder abgesenkt bzw. verringert werden, so daß ein zu starker Temperaturanstieg verhindert ist. Dies wird er reicht ohne die Plastifizierungsfähigkeit des Erststufen-Extru ders zu verringern. Weiterhin ergibt sich infolge der Anordnung des Dulmage-Teils am Ende der Extruderschnecke des Zweitstufen-Extruders eine Verbesserung der Homogenisierung ohne Verringe rung der extrudierten Menge. Schließlich wird insgesamt verbes serte Misch- und Knetleistung gegenüber den bekannten Extrudern erzielt. Schließlich wird es durch die besondere Gestaltung des Dulmage-Teils möglich, eine ungleichmäßige Harztemperaturverei lung auch bei Verwendung einer Schnecke einer großen Gangtiefe zu egalisieren, weil der besonders gestaltete Dulmage-Teil eine bessere Misch- und Knet wirkung als bekannte Dulmage-Teile hat. Durch die verwendete Wellendichtung wird darüber hinaus ein Auslecken von Harz wäh rend des Betriebes des Extruders vermieden.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Strang preß- bzw. Extrudierschneckenabschnitts eines Vorstufen-Extru ders (der ersten Stufe) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 1.

Fig. 3 eine Seitenansicht zur Darstellung von Einzelheiten einer Schnecke einer Dosierzone nach Fig. 1.

Fig. 4 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Zweistu fenreihen-Extruders gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt ansicht eines im Kreis B in Fig. 4 enthaltenen Abschnitts,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie C-C in Fig. 5,

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 5,

Fig. 8 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt ansicht eines im Kreis B in Fig. 4 enthaltenen Abschnitts bei einer abgewandelten, von der Ausführungsform nach Fig. 5 verschiedenen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt ansicht eines im Kreis E in Fig. 4 enthaltenen Abschnitts,

Fig. 10 eine im Schnitt gehaltene Seitenansicht eines Basis- oder Grundteils eines nachgeschalteten (Zweistufen-)Extruders bei einem Zweistufen reihen-Extruder gemäß einer anderen Ausführungs form der Erfindung,

Fig. 11 eine Seitenansicht eines Spitzen- bzw. Vorder endabschnitts einer eine hohe Misch-Knetlei stung besitzenden Schnecke gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Quer schnittansicht eines Bereichs an einem Rippen nuteinlauf eines Rippenteils gemäß Fig. 11,

Fig. 13 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Quer schnittansicht eines Bereichs an einem Rippen nutauslaß eines Rippenteils (103) in Fig. 11,

Fig. 14 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Quer schnittansicht eines Bereichs an einem Rippen nutauslaß eines Rippenteils (104) in Fig. 11,

Fig. 15 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Quer schnittansicht eines Bereichs an einem Rippen nutauslaß eines Rippenteils (105) in Fig. 11,

Fig. 16 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Quer schnittansicht eines Bereichs an einem Rippen nutauslaß eines Rippenteils (106) in Fig. 11,

Fig. 17 eine perspektivische Darstellung eines Vorder endabschnitts einer eine hohe Misch-Knetlei stung besitzenden Schnecke gemäß einer anderen (zweiten) Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 18 eine perspektivische Darstellung eines Vorder endabschnitts einer eine hohe Misch-Knetlei stung besitzenden Schnecke gemäß noch einer an deren (dritten) Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 19 eine perspektivische Darstellung eines Vorder endabschnitts einer eine hohe Misch-Knetlei stung besitzenden Schnecke gemäß einer weiteren (vierten) Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 20 eine perspektivische Darstellung eines Vorder endabschnitts einer eine hohe Misch-Knetlei stung besitzenden Schnecke gemäß noch einer an deren (fünften) Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 21 eine schematische Schnittansicht eines Bei spiels eines Zweistufenreihen-Extruders nach dem Stand der Technik,

Fig. 22 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Schnitt seitenansicht eines Vorderendabschnitts eines Beispiels einer Dulmagetyp-Misch/Knetschnecke beim nachgeschalteten (oder Zweitstufen-)Ex truder nach dem Stand der Technik,

Fig. 23 einen Querschnitt durch eine Rippenreihe im Dulmage-Teil nach Fig. 22,

Fig. 24 eine schematische perspektivische Darstellung eines Dreh- oder Umlaufzustands des Harzes in einer Rippennut eines bisherigen Dulmage-Teils und

Fig. 25 eine schematische perspektivische Darstellung eines ungünstigen Dreh- oder Umlaufzustands von Harz in einer Rippennut beim gleichen bisheri gen Dulmage-Teil.

Die Fig. 22 bis 25 sind eingangs bereits beschrieben worden.

In den Fig. 1 bis 3 ist die Ausgestaltung einer Schnec ke und eines Zylinders eines Vorstufen-Extruders (Extruders der ersten Stufe) bei einem Zweistufenrei hen-Extruder gemäß der Erfindung dargestellt. Eine Schnecke 21 (Fig. 1) besteht aus drei Teilen, nämlich einer normalen Schnecke 21a in einer Beschickungszone, einer Sechseck-Mischschnecke 21b in einer Mischzone und einer normalen Dosierschnecke 21c in einer Dosierzone. Außenseitige Zylinder entsprechend den jeweiligen Schneckenteilen 21a-21c sind ein einen kreisrunden Querschnitt besitzender Zylinder 22 in der Beschickungszone, ein einen sechseckigen Innenquer schnitt besitzender Zylinder 23 in der Mischzone und ein einen kreisrunden Querschnitt besitzender Zylinder 24 in der Dosierzone.

Wenn hierbei die Länge der Schnecke 21a in der Beschic kungszone mit L1 und der Außendurchmesser der Schnecke 21a mit D gegeben sind, ist eine Beziehung 9D≧L1≧=5D erfüllt. Wenn weiterhin die Schneckensteigung oder -ganghöhe der Sechseck-Mischschnecke 21b mit LF und ihr Außendurchmesser mit D gegeben sind, ist ein Bereich LF = 1D-3D erfüllt. Wenn ferner eine Tiefe einer (eines) Schneckennut oder -gangs der Dosier schnecke 21c mit Hm und ihr Außendurchmesser mit D (vgl. Fig. 3) gegeben sind, ist eine Beziehung Hm = 0,07D-0,11D erfüllt. In den genannten Figuren sind mit 25 ein Verbindungsrohr zum Fördern von (auf)ge schmolzenem Harz vom Vorstufen-Extruder zum nachge schalteten (oder Zweitstufen-)Extruder, mit 26 eine Antriebseinheit für die Schnecke 21, mit 27 ein Füll trichter und mit 28 eine Heizeinheit bezeichnet.

Es wurde bestätigt bzw. festgestellt, daß eine Extru dierleistung durch Kombinieren eines nachgeschalteten Extruders nach Fig. 4 mit einem Vorstufen-Extruder nach Fig. 1 zu einem Zweistufen-Extruder weiter verbessert werden kann. Die in eingekreisten Bereichen B und E dargestellten Einzelheiten des nachgeschalteten Extru ders gemäß Fig. 4 sind in den Fig. 5 bis 9 näher veran schaulicht.

Die Anordnung nach den Fig. 4 bis 9 ist wie folgt aufge baut: In einem Wellendichtabschnitt 29 an einem Einlaß oder Einlauf zum nachgeschalteten Extruder ist eine Hochdruck-Wellendichtung vorgesehen, die einen maxima len Harzdruck von ca. 200 bar (200 kp/cm²) abzudichten vermag (vgl. JP-Patentanmeldung 3-297664 (1991)). Dies wird im folgenden näher erläutert.

Gemäß Fig. 10 ist bei einem nachgeschalteten Extruder eine Schnecke 51 in einen Zylinder 50 eingesetzt, wobei in einem Basisteil 51a der Schnecke 51 eine Kühlbohrung 52 ausgebildet ist. Zwischen dem Basisteil 51a der Schnecke 51 und dem Zylinder 50 ist eine Viskodicht hülse oder -manschette 54 mit mehr gängigem Flachgewinde an ihrem Innenumfang eingesetzt, und zwischen der Hülse 54 und dem Basisteil 51a der Schnecke 51 ist eine Stopfbüchsen-Dichtungspackung 55 vorgesehen, wobei eine Dichtungspackungs-Stopfbüchse 56 gegen den Basisteil 51a der Schnecke 51 andrückt. Im mehrgängigen Flachgewindeabschnitt 53 der genannten Hülse 54 ist ein Kühlmantel 57 vorgesehen. In Fig. 10 sind mit 12 eine Heizeinheit, mit 58 eine Speise- oder Beschickungsöffnung für Ausgangsmaterial-Harzschmelze, mit 59 ein Heizmantel und mit 60 ein zwischen einem Hauptteil der Schnecke 51 und dem Basisteil 51a vorge sehener Flachgewindeabschnitt bezeichnet.

Aufgeschmolzenes Harz bzw. Harzschmelze tritt über die Beschickungsöffnung 58 von einem nicht dargestellten Verbindungsrohr her zwischen die Schnecke 51 und den Zylinder 50 ein. Obgleich sich die Schnecke 51 dreht, beginnt das Harz unter dem Einlaßharzdruck in Rückwärts richtung einzudringen bzw. zu sickern. Dabei wird der größte Teil eines Abdichtdrucks am Flachgewindeab schnitt 60 auf der Schneckenseite erzeugt.

Wenn diese Leckage die Viskodichthülse erreicht, kann die Leckage durch den Abdichtdruck des mehrgängigen Flach gewindeabschnitts 53 an der Innenfläche der Hülse 54 auf ein notwendiges Mindestmaß unterdrückt werden. Die Einstel lung einer geeigneten Sicker- oder Leckagemenge erfolgt durch Temperatureinstellung des Heizmantels 59, Tempera tureinstellung mittels des Kühlmantels 57 in der Visko dichthülse 54 und kontrolliertes Kühlen der Schnecke 51 durch Zuspeisen von Kühlwasser in die Kühlbohrung 52 im Basisteil 51a der Schnecke 51 über einen Drehanschluß und ein elektromagnetisches Ventil (nicht dargestellt). Die Stopfbüchsen-Dichtungspackung 55 und die Dichtungs packungs-Stopfbüchse 56 sind dabei zur Verhinderung einer Leckage bzw. eines Harzaustritts beim Abstellen der Schnecke vorgesehen.

Das mehrgängige Flachgewinde im Abschnitt 53 besitzt eine zweckmäßi ge Form, wenn die Steigung (Ganghöhe) im Bereich von 0,5D-1,5D, eine Rillen- oder Nuttiefe im Bereich von 1/200D-1/40D und eine Länge des Gewindes im Bereich von 1D-3D, jeweils bezogen auf den Wellendurchmesser D der Schnecke 51, liegen. Ein ähnliches mehrgängiges Flachgewinde wie das genannte Gewinde im Abschnitt 53 kann auch im Flachgewindeabschnitt 60 vorgesehen sein.

Wenn ein Einlaßharzdruck des nachgeschalteten Extruders hoch ist, dringt das Harz zum Schneckenbasisteil hin durch und füllt dabei auch den mehrgängigen Flachgewin deabschnitt der Viskodichthülse 54. Wenn die Schnecke 51 rotiert, tritt zwischen ihr und der das mehrgängige Flachgewinde aufweisenden Viskodichthülse 54 eine Scherwirkung auf, wobei in diesem Flachgewindeabschnitt 53 eine eine Druckströmung wesentlich übersteigende große Vortriebsströmung auftritt, so daß die Harzleckage endet.

Ein Druckanstieg am Gewindedichtabschnitt läßt sich theoretisch durch die Formel ΔP = 6ηUL/C²·1/A ausdrücken, in welcher bedeuten:
η = Viskosität (kg·s/cm²)
U = Umfangsgeschwindigkeit (cm/s)
L = Schneckendichtungslänge (cm)
C = Spaltspiel zwischen Schnecke und Zylinder (cm)
A = Dichtungskoeffizient (-).

Wie aus der obigen Formel hervorgeht, wird zum Kontrol lieren einer Leckagegröße ein Mechanismus nötig, mit dem die Viskosität variabel gemacht werden kann. Die Umfangsgeschwindigkeit unbestimmt sich hierbei durch die erforderliche Produktionsgeschwindigkeit und kann nicht unabhängig variiert oder geändert werden. Schnec kendichtungslänge L und Spaltspiel C sind konstant. Durch variable Regelung der Temperatur der Viskodicht hülse 54 selbst sowie der Temperatur des Schneckenba sisteils 51a wird daher die Viskosität des dazwischen befindlichen Harzes variiert oder geändert. Wodurch ein Druckanstieg am Schneckendichtungsteil beliebig oder willkürlich geändert werden kann. Die Temperaturrege lung der Viskodichthülse 54 und der Schnecke kann besser durch Verbinden der Regler mit einem Temperatur regler eines Metall-Spritzkopfes als durch unabhängige Temperaturregelung erfolgen.

Eine Hochdruck-Wellendichtung gemäß der Erfindung ist auf oben beschriebene Weise ausgebildet; wenn der Harz druck an der Schmelzharz-Beschickungsöffnung ansteigt, beginnt Harz zu lecken, d. h. zu sickern. Da erfindungs gemäß das mehrgängige Flachgewinde an der Schnecken-Außenumfangsfläche vom Schneckenbasisteil zur Harz-Be schickungsöffnung vorgesehen ist, kann der größte Teil eines Abdicht- oder Dichtungsdrucks an diesem Flachge windeabschnitt gestoppt werden; Schmelzharz sickert jedoch weiter und füllt diesen Flachgewindeabschnitt der Viskodichthülse aus. Wenn sich die Schnecke dreht, tritt eine Scherwirkung zwischen dem Schneckenbasisteil und der Viskodichthülse auf, wobei in diesem mehrgängi gen Flachgewindeabschnitt ein großer, den Druckstrom wesentlich übersteigender Vortriebsstrom auftritt und die Leckage bzw. das Sickern des Harzes beendet werden kann. Da weiterhin in der Viskodichthülse selbst und im Schneckenbasisteil ein Kühlmantel bzw. eine Kühlbohrung vorgesehen sind, können die Temperaturen der Viskodicht hülse selbst und des Schneckenbasisteils variabel bzw. änderbar geregelt und damit die Viskosität des dazwi schen befindlichen Harzes variiert oder geändert wer den, so daß sich durch willkürliche oder beliebige Änderung eines Druckanstiegs im mehrgängigen Flachge windeabschnitt der Hülse ein(e) Harzleckage oder -sickern verhindern läßt.

Da erfindungsgemäß die Schmelzharzleckage von oder an einem Schneckenbasisteil erheblich verringert werden kann, ist es möglich, eine Umweltverschmutzung und den großen Arbeitsaufwand für die Beseitigung des heraus gesickerten Harzes zu vermeiden.

Eine Nut- oder Gangtiefe der nachgeschalteten Schnecke 34 ist in Fig. 9 dargestellt, die eine detaillierte Darstellung eines im Kreis E in Fig. 4 befindlichen Bereichs ist. Wenn dabei insbesondere eine Nut- oder Gangtiefe mit Hm2 und ein Schnecken-Außendurchmesser mit D2 bezeichnet werden, ist ein Bereich Hm2 = 0,11D2-0,2D2 erfüllt. Außerdem sind gemäß Fig. 5 am Außenumfang des Vorderendabschnitts 31 der nachgeschalteten (Zweitstufen-)Schnecke 34 zahlrei che Stege oder Rippen 33 angeformt, während zahlreiche Rippen 36 auch am Innenumfang des zugeordneten Zylin ders 30 angeformt sind; diese jeweiligen Rippen sind in der Axialrichtung einander abwechselnd angeordnet (vgl. JP-OS 62-167025 (1987)).

Fig. 5 zeigt eine Anordnung aus einer Schnecke 34 mit einer Extrudierschnecken-Gangtiefe gleich dem 0,11-fa chen oder mehr bis zum 0,2-fachen oder weniger des Außendurchmessers der Schnecke 34, einem der Schnecke 34 zugeordneten, einen kreisförmigen Querschnitt be sitzenden Zylinder 9, einem am Vorderende der Schnecke 34 angeformten Dulmage-Teil mit der Anzahl von Reihen der Rippen 33 und einem Zylinder mit einer Anzahl von an seinem (seiner) Innenumfang(sfläche) geformten Rippen 36, die sich in der Axialrichtung mit den Rippen 33 des Dulmage-Teils an der Seite der Schnecke abwechseln, wobei die Schnecken und Zylinder (jeweils) integriert angeordnet sind.

Fig. 8 zeigt eine andere, von der Ausführungsform nach Fig. 5 verschiedene Ausführungsform, bei welcher am Vorderendabschnitt 32 der nachgeschalteten Schnecke 35 Rippen 33 eines Dulmage-Teils ähnlich dem nach Fig. 5 angeformt sind, wobei die axialen Längen L der Rippen sich in Richtung auf die Stromabseite fortlau fend verkleinern. Ebenso sind die Teilungen (Abstände) P der Rippenreihen 33 jeweils verschieden geformt. Es ist zu bemerken, daß die axialen Längen L der Rippen 33 (auch) in Richtung auf die Stromabseite fort laufend vergrößert sein können und außerdem die Ausge staltung, bei welcher mindestens ein Faktor unter Rippennuttiefe und -breite sowie Rippenzahl variiert wird, angewandt werden kann. Beispielsweise wird die Nut- oder Gangtiefe der Schnecke 35 im Bereich des 0,11-fachen oder mehr bis 0,2-fachen oder weniger des Schneckenaußendurchmessers gewählt.

Im folgenden ist die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Zweistufen-Extruders beschrieben. In den Fülltrichter 27 eingefülltes Ausgangsmaterial tritt über eine Öff nung im Zylinder 22 in den Extruder ein und wird dann, während es durch die Schnecke 21a in der Beschickungs zone nach links gefördert wird, durch die Heizeinheit 28 erwärmt und außerdem komprimiert, (auf)geschmolzen und plastifiziert und dann zur Mischzone extrudiert. In der Mischzone wird das Ausgangsmaterial durch die Sechs eck-Mischschnecke 21b gleichmäßig gerührt, gemischt und zur Dosierzone geliefert.

Da die Dosierschnecke 21c in der Dosierzone eine Förder leistung aufweist, die an die Extrudierrate oder -ge schwindigkeit der stromaufseitigen Sechseck-Mischschnecke 21b angepaßt ist, besteht keine Gefahr, daß das Aus gangsmaterial-Harz in der Mischzone stagniert oder eine unregelmäßige Strömung in der Dosierschnecke 21c auf tritt. Das durch die Dosierschnecke 21c extrudierte Harz wird der ein Verbindungsrohr 25 zu dem nachge schalteten Extruder (Extruder der zweiten Stufe) gemäß Fig. 4 gefördert.

Das vom ersten Extruder zugeführte (Ausgangsmaterial-)Harz, welches das Verbindungsrohr 25 passiert hat, strömt unter einem hohen Druck von etwa ca. 200 bar (200 kp/cm²) in die nachgeschaltete Schnecke 34 des nachgeschalteten Extruders ein. Das das Vorderende der nachgeschalteten Schnecke 34 erreichende Harz ist unter einer ausgeglichenen Temperaturverteilung im Schneckengang vollkommen aufgeschmolzen, wenn es die Rippen 33 und 36 des Dulmage-Teils gemäß den Fig. 5 bis 8 passiert, so daß Harz einer gleichmäßigen Temperaturverteilung dem Spritzkopf 44 in konstanter Menge zugespeist werden kann.

Bei einem Vergleich der Extrudierleistung (bestätigte höchste Leistung) des herkömmlichen Extruders und des erfindungsgemäßen Extruders bei Anwendung des Zweistu fenreihen-Extruders gemäß Fig. 4 wurden die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Ergebnisse erzielt; damit wurde belegt, daß der erfindungsgemäße Extruder eine vergleichsweise ausgezeichnete Leistung bietet.

Die Tests wurden mit einem Zweistufenreihen-Extruder von ⌀65/⌀90 (Durchmesser 65/90 mm) durchgeführt.

Ausgangsmaterial: Biaxial gerecktes Polypropylen mit 20 Gew.-% Ohrflockenstoff zur Verwendung für einen 30-µm-Film.

Tabelle

Der Q/N-Wert (Extrudiermenge pro Einzelumdrehung der Schnecke) eines herkömmlichen Vorstufen-Extruders beträgt etwa 0,5 (kg/h/U/min). Erfindungsgemäß kann dagegen dieser Wert um das 1- bis 1,2-fache erhöht sein, so daß eine Sen kung der Schneckendrehzahl möglich ist. Demzufolge kann ein Temperaturanstieg des Zylinders verhindert werden.

Wie vorstehend im einzelnen beschrieben, ist die Sechs eck- oder Sechskant-Mischschnecke eines vorbestimmten Steigungsbereichs in der Mischzone des Vorstufen-Extru ders gemäß der Erfindung eine solche, deren Ausgangsma terial-Förderleistung optimal an diejenige einer in der Beschickungszone angeordneten normalen Schnecke mit einer erfindungsgemäßen Länge angepaßt ist und die eine Schnec kenkonfiguration oder -form aufweist, mit der eine voll kommene Plastifizierleistung erreichbar ist. Zudem absorbiert die in der Dosierzone befindliche Schnecke Änderungen oder Abweichungen eines (einer) Harzstroms oder -strömung bis zur Mischzone an der Stromaufseite, und sie wandelt diese(n) in eine(n) stabile(n) Strom oder Strömung um und liefert sodann das Harz zum nachgeschal teten Extruder in der nächsten Stufe des Prozesses. Da die eine große Gangtiefe aufweisende Schnecke im nachge schalteten Extruder eine ausreichende Extrudierleistung besitzt und der am Vorderende der Schnecke befindliche Dulmage-Teil eine an die Extrudierleistung der Schnecke angepaßte Harz-Homogenisierleistung aufweist, kann der Extruder eine für die Harzerzeugnisse erforderliche Extrudier- oder Strangpreßmenge gewährleisten. Erfindungs gemäß ist es mithin möglich, das Ausgangsmaterial stabil oder gleichbleibend zu fördern und eine maximale Extru dierleistung zu erreichen, ohne die Plastifizierleistung oder -fähigkeit des Vorstufen-Extruders zu beeinträchti gen, so daß der nachgeschaltete Extruder seine Aufgabe des Homogenisierens vollständig zu erfüllen und eine zweckmäßige Menge an Harzerzeugnissen hoher Güte zu spritzen vermag.

Im folgenden sind anhand der Fig. 11 bis 20 bevorzugte Ausführungsformen einer als Zweistufenreihen-Extruder ausgeführten Dulmagetyp-Schnecke einer hohen Misch/Knet leistung gemäß der Erfindung beschrieben.

Zunächst ist eine in den Fig. 11 bis 16 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsform einer Dulmage-Anordnung beschrieben. Fig. 11 zeigt einen einachsigen Extruder, bei dem an einem Vorderendabschnitt einer Schnecke 101 ein Dulmage-Teil 102 montiert ist, bei dem von Rippenkon figurationen von in der Drehrichtung der Schnecke ausge richteten Rippenreihen die Rippenlängen in den jeweiligen Stufen variiert sind. Die Rippenkonfigurationen oder -formen einschließlich der Rippennuten 107-109, in den einzelnen Stufen sind dabei mit Ausnahme der Rippenlängen jeweils gleich, während die Längen der Rippen 103-106 in den einzelnen Stufen z. B. von der Stromaufseite zur Stromabseite jeweils länger ausgelegt sind.

Fig. 12 ist ein in vergrößertem Maßstab gehaltener Querschnitt durch die Rippen 103, wobei bei der Drehung der Dulmage- Schnecke 101, 102 in Pfeilrichtung 112, an der Rippennutsohle im Einlaufteil der Rippen 103 vorhandenes Harz 111 in der Richtung eines Pfeils 113 längs des Umfangs eines von den Rippen 103 und dem Zylinder 110 umschlossenen halbkreisförmigen Ab schnitts umläuft (oder umgewälzt wird). Nachstehend ist die Arbeitsweise erläutert.

Die Fig. 12 bis 16 veranschaulichen die Art des Umlaufs oder der Drehung des Harzes in der Nut zwi schen den Rippen 103-106 in den jeweiligen Stufen. Fig. 12 zeigt dabei einen Zustand an einem Rippennuteinlauf in den jeweiligen Stufen; Fig. 13 zeigt eine Lage des Harzes 111 an einem Rippennutauslaß einer Rippenreihe 103 in der ersten Stufe; Fig. 14 veranschaulicht eine Lage des Har zes 111 an einem Rippennutauslaß einer Rippenreihe 104 in der zweiten Stufe; Fig. 15 zeigt eine Lage des Harzes 111 an einem Rippennutauslaß einer Rippenreihe 105 in der dritten Stufe, und Fig. 16 zeigt eine Lage des Harzes 111 an einem Rippennutauslaß einer Rippenreihe 106 in der vierten Stufe. Abgesehen von der Rippenreihe 106 in der vierten Stufe kann das im Rippennuteinlaufteil gemäß Fig. 12 befindliche Harz 111 an den jeweiligen Nutauslässen vom Nutsohlenteil getrennt werden; mit der Erfindung wird somit der entscheidende Nachteil des Dulmage-Teils beim Stand der Technik ausgeräumt, d. h. der Nachteil, daß abhängig von einem Betriebszustand eine Ergänzung oder Lieferung von durch einen Mittelbereich eines Strömungsdurchgangs strömendem Harz nicht ausrei chend bewirkt werden kann und eine ungleichmäßige Tempera turverteilung sowie ein ungleichmäßiges Kneten der Harz schmelze nicht beseitigt werden können.

Fig. 17 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Dulmage-Anordnung, bei welcher zwischen den Rippen(formen) die Rippennuttiefen variiert und damit die Zahlen der Umdre hungen oder Umläufe des Harzes in den Rippennuten geän dert sind. Insbesondere verringern sich dabei die Rippen nuttiefen in der Reihenfolge der Rippenreihen 103, 104 und 105 fortlaufend.

Fig. 18 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Dulmage-Anordnung, bei welcher zwischen den Rippen(formen) die Rippennutbreiten variiert und damit die Umdrehungs- oder Umlaufzahlen des Harzes in den Rippennuten geändert sind. Insbesondere werden dabei die Rippennutbreiten in der Reihenfolge der Rippenreihen 103, 104 und 105 fortlaufend kleiner.

Fig. 19 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Dulmage-Anordnung, bei welcher zwischen den Rippen(formen) die Rippenzahlen variiert und damit die Umdrehungs- oder Umlaufzahlen des Harzes in den Rippennuten geändert sind. Insbesondere sind dabei die Rippenzahlen in den jeweili gen Rippenreihen in der Reihenfolge der Rippen 103, 104 und 105 fortlaufend verkleinert.

Wie vorstehend beschrieben, sind bei jeder der Ausfüh rungsformen nach den Fig. 17 bis 19 die Harzdurchgang-Querschnittsflächen der Nuten in den verschiedenen Stufen variiert bzw. geändert, wodurch die für den Harzdurchlauf durch die Rippenreihen nötige Zeit oder die Durchgangs längen der Rippennuten und auch die Umdrehungs- oder Um laufzahlen variiert sind oder werden. Mit anderen Worten: die Phasen des aus den Rippenreihen in den verschiedenen Stufen ausströmenden Harzes sind oder werden variiert.

Fig. 20 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform einer Dulmage-Anordnung, bei welcher verschiedene Faktoren der Rippenformen einer Rippenreihe in jeder Stufe identisch gewählt sind, die Rippenzahlen in den jeweiligen Rippen reihen 103, 104, 105 und 106 der verschiedenen bzw. ein zelnen Stufen in Richtung auf einen Auslaß jedoch fort laufend vergrößert sind.

Da gemäß der oben beschriebenen Erfindung unter verschie denen Faktoren der Rippenkonfigurationen oder -formen von Rippenreihen in verschiedenen Stufen, d. h. Rippennuttie fen und -breiten, Zahl der Rippen und axiale Länge der selben, mindestens ein Faktor variiert bzw. geändert wird bzw. ist oder die Rippenkonfigurationen, wie Harzdurch gang-Querschnittsfläche der Nutabschnitte in den verschie denen Stufen und Umdrehungs- oder Umlaufzahlen des Harzes in den Rippennuten der verschiedenen Stufen variiert und damit die Phasen des aus den Rippennuten in den verschie denen Stufen ausströmenden Harzes geändert werden bzw. sind, oder die axialen Längen der Rippen der Rippenreihen in den verschiedenen Stufen oder aber die Rippenzahlen der Rippenreihen in den jeweiligen Stufen in Richtung auf einen Auslaß fortlaufend vergrößert werden bzw. sind, kann der Nachteil beim Stand der Technik, daß Harz im Bereich der Schnecken(ober)fläche auch nach dem Durchgang durch den Dulmage-Teil kaum gemischt oder geknetet wird, vermieden werden; die für den Durchgang des Harzes durch die Rippenreihen erforderliche Zeit oder die Durchgangs längen der Rippennuten variieren (dabei) jedoch, so daß die vom Dulmage-Teil gewährleistete Misch- und Knetwir kung gleichmäßig und vollständig auf das Ausgangsmate rial-Harz einwirken kann und ein Extrudieren oder Spritzen bei geringer ungleichmäßiger Temperaturvertei lung und geringem ungleichmäßigen Kneten durchführbar ist.

Claims

1. Zweistufenreihen-Extruder, umfassend

a) einen Erststufen-Extruder mit einem Zylinder (22, 23, 24), der eine Ausgangsmaterialzuführöffnung (27) und einen Aus laß (25) definiert, und mit einer drehbaren Schnecke (21a, 21b, 21c), die in dem Zylinder angeordnet ist, wobei die Schnecke einen Zuführabschnitt (21a), einen Mischab schnitt (21b) und einen Dosierabschnitt (21c) umfaßt, die in der genannten Reihenfolge in einer Richtung von der Zu führöffnung (27) zu dem Auslaß (25) gleichachsig angeordnet sind, der Zuführabschnitt eine axiale Länge im Bereich des 5- bis 9-fachen seines Außendurchmessers hat und der Zylin der eine innere zylindrische Wand hat, welche den Zuführab schnitt (21a) der Schnecke umgibt, der Mischabschnitt einen sechseckigen Querschnitt und eine Steigung im Bereich des 1- bis 3-fachen seines Außendurchmessers hat und der Zylin der eine Innenwand sechseckigen Querschnitts hat, der den Mischabschnitt (21b) der Schnecke umgibt, der Dosierab schnitt Nuten zwischen seinen benachbarten Schneckengängen hat, die eine Tiefe im Bereich des 0,07- bis 0,11-fachen des Außendurchmessers des Dosierabschnitts (21c) der Schnecke haben und der Zylinder eine innere zylindrische Wand hat, welche den Dosierabschnitt der Schnecke umgibt, und
b) einen Zweitstufen-Extruder, der mit dem Auslaß (25) des Zylinders (22, 23, 24) des Erststufen-Extruders derart ver bunden ist, daß er aus dem Erststufen-Extruder extrudiertes Material aufnimmt, wobei der Zweitstufen-Extruder eine Zweitstufen-Extruderschnecke (51) und einen zweiten Zylin der (50) umfaßt, in welchem die Zweitstufen-Extruderschnec ke (51) angeordnet ist, die Nuten (34) zwischen benachbar ten Schneckengängen von ihr mit einer Tiefe im Bereich des 0,11- bis 0,2-fachen des Außendurchmessers der Zweitstufen-Extruderschnecke (51) hat, und die an ihrem Spitzen- bzw. Vorderende einen Dulmage-Teil hat mit einer Mehrzahl von Rippen (33), die sich vom Vorderende der Zweitstufen-Extru derschnecke (51) radial erstrecken und in der axialen Rich tung der Zweitstufen-Extruder-Schnecke voneinander beab standet sind, der zweite Zylinder (50) eine Innenwand kreisförmigen Querschnitts, welche die Zweitstufen-Extru derschnecke (51) umgibt, und eine Mehrzahl von Rippen (30) hat, welche sich radial einwärts in Richtung gegen den Dul mage-Teil erstrecken, wobei die Rippen (33) des Dulmage-Teils der Zweitstufen-Extruderschnecke (51) und die Rippen (30) des zweiten Zylinders (50) mit Bezug aufeinander in der axialen Richtung der Zweitstufen-Extruderschnecke (51) abwechselnd angeordnet sind.

2. Zweistufenreihen-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zweitstufen-Extruder eine Wellendichtung aufweist, die eine Viskodichthülse (54) um faßt, die zwischen einem Basisteil der Zweitstufen-Extru derschnecke (51) von deren Vorderende entfernt, und dem zweiten Zylinder (50) angeordnet ist sowie eine Nut be stimmt, die zu dem Basisteil (51a) der Zweitstufen-Extru derschnecke (51) offen ist und die Form eines Mehrgangge windes (60) von jeweils rechteckigem Querschnitt hat, und die Dichtung einen Kühlmantel (57) in einem Teil der Visko dichthülse (54) nahe dem Mehrganggewinde (60) umfaßt.

3. Zweistufenreihen-Extruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Zylinder (50) eine Zuführöffnung bestimmt, die zu seinem Inneren offen ist, und die Zweitstufen-Extruderschnecke (51) an einer Stelle zwischen der Zuführöffnung und dem Basisteil (51a), wobei die Dichtnut die Form eines Mehrganggewindes mit jeweils rechteckigem Querschnitt hat.

4. Zweistufenreihen-Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Basisteil (51a) der Zweitstufen-Extruderschnecke (51) eine Bohrung (52) hat, die sich in ihr axial erstreckt, um das Kühlen des Basis teils (51a) der Zweitstufen-Extruderschnecke (51) zu er leichtern.

5. Zweistufenreihen-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dulmage-Teil (102) eine Mehrzahl von Stufen von Rippen (103 bis 106) hat, die Rip pen des Dulmage-Teils (102) in jeder der Stufen in der Um fangsrichtung der Zweitstufen-Extruderschnecke (101) mit einander ausgerichtet sind und die Stufen von Rippen in der axialen Richtung der Zweitstufen-Extruderschnecke (101) sich in einem Abstand voneinander befinden und die Rippen in jeder betreffenden Stufe identische Gestalt haben und wenigstens eine Charakteristik, ausgewählt aus der Gruppe, die aus der Tiefe der Nuten zwischen den Rippen in jeder Stufe, der Breite der Nuten in der Umfangsrichtung der Schnecke in jeder Stufen und der Anzahl der Rippen in jeder Stufe besteht, sich von Stufe zu Stufe ändert.