DE4334697A1 - Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk für plastifizierbares Material mit zwei, mit unterschiedlicher Umfangsgeschwin­ digkeit gegenläufig rotierenden, unterschiedlich temperierten Walzen, die zwischen sich über ihre gesamte Länge einen Plastifizierungsspalt bilden, deren Walzenlänge mehr als das vierfache des Wal­ zendurchmessers beträgt und auf deren Oberflächen scharfkantige Nuten gegenläufig zueinander ange­ ordnet sind, und mit Materialaufgabe- und -abnahme­ vorrichtungen für verschiedene Materialtypen und Zugabestoffen.

Derartige Misch- und Scherwalzwerke sind bekannt (EP 0 148 966 B2). Das hier beschriebene Walzwerk mit zwei gegenläufig angetriebenen, temperierba­ ren Walzen, ist bei der Bearbeitung von plastifi­ zierbaren Werkstoffen zum Aufschmelzen, Homogeni­ sieren und Dispergieren im Einsatz. Dabei wird eine Walze - die Arbeitswalze - auf höhere Tem­ peratur erwärmt, damit das plastifizierbare Mate­ rial an deren Oberfläche stärker haftet als an der niedriger temperierten Oberfläche der zweiten Walze - der Gegenwalze -. Beide Walzen bilden einen Plastifizierungsspalt - den Arbeitsspalt -. Eine plastische Produktschicht auf der Arbeits­ walze dichtet den Arbeitsspalt über die Arbeits­ spaltlänge mit plastischer Produktmasse ab.

Im Betrieb wird die Arbeitswalze schneller ange­ trieben als die Gegenwalze. Auf diese Weise wird dem engsten Walzenspalt von der Arbeitswalze mehr Produktmenge zugeführt, als er passieren läßt. Entsprechend faltet sich die Produktschicht vor dem engsten Walzenspalt auf und bildet aus dem Produktstau heraus einen Materialknet.

Die beiden angetriebenen Walzen ziehen mit ihren genuteten Oberflächen fortlaufend einen Teil die­ ses angestauten Materialknetes durch den Arbeits­ spalt. Dabei entsteht vor der engsten Stelle ein sehr hoher Druckaufbau. Beim Durchgang durch die engste Stelle des Arbeitsspaltes wird das plasti­ sche Produkt in Umlaufrichtung der Walzenober­ flächen kräftig gedehnt. Nach einem Walzenumlauf wird das gedehnte Produkt vor der engsten Stelle des Arbeitsspaltes zusammengestaucht und im Mate­ rialknet wieder aufgefaltet.

Da der Druck im Arbeitsspalt in axialer Richtung entlang der Ballenlänge der Walzen gleich hoch ist, findet beim Durchlauf des Produkts durch den Ar­ beitsspalt fast nur ein radialer Dehnvorgang und ein radialer Stauchvorgang, aber keine nennens­ werte axiale Spreizung des Produkts statt.

Für eine Verbesserung der Festigkeitswerte der Produkte ist es erwünscht, möglichst lange, hoch­ feste Fasern, z. B. hochfeste Glasfasern, möglichst gleichmäßig, jedoch in verschiedene Richtungen orientiert, einzuarbeiten. Bei den bekannten Walz­ werken gibt man geschnittene Faserbündel oberhalb des Arbeitsspaltes in den Materialknet. Zunächst drückt die kältere Oberfläche der Gegenwalze die Faserbündel in die Spaltzone. Dort werden die Faserbündel von der Walzenoberfläche in die eng­ ste Stelle des Arbeitsspaltes eingezogen und dabei in radialer Richtung ausgerichtet.

Bei jedem Spaltdurchgang wiederholt sich der glei­ che Ablauf, Aufstauen und Auffalten der in Umfangs­ richtung orientierten Fasern unter hohem Druck. Dabei werden die Fasern in ihrer Längsrichtung ein­ geknickt und schließlich zerbrochen. Diese Ver­ kürzung der Faserlänge ist aber in hohem Maße un­ erwünscht, weil die durch die Fasern angestrebte Festigkeitserhöhung wieder verloren geht. Diese nachteilige Wirkung wird noch verstärkt, wenn der Spaltabstand der Walzen verkleinert und dadurch der Staudruck auf die Fasern verstärkt wird.

Bei den bekannten Walzwerken (EP 0 148 966 und EP 0 231 398) sind in den Walzen gegenläufige Nutrillen in spitzem Winkel zur Walzenachse in die Walzenoberflächen eingebracht. Dadurch ver­ vielfacht sich zwar die Mischeinwirkung der in den Nutrillen rotierenden Materialteilchen, aber gleichzeitig steigt die Zerstörung der Fa­ sern in gleichem Maße an.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Walzwerk zum zweiachsigen Einarbeiten von Fasern und von Farbkonzentraten in plastische Werkstoffe mit unterschiedlich genuteten Walzenoberflächen zu schaffen, mit dem die Verkürzung der Faserlänge verhindert wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ober­ fläche der Arbeitswalze mit wenigen steilgängigen und sehr flachen Nutrillen und die Oberfläche der Gegenwalze mit mindestens einer doppelt so großen Anzahl von Nutrillen mit geringerem Steigungswinkel und gegenüber der Arbeitswalze mit einer doppelt so großen Tiefe versehen sind, wobei die Temperatur der Arbeitswalze 15 bis 50°C höher eingestellt ist als die Temperatur der Gegenwalze, und der Plastifizier­ ungsspalt verstellbar ist.

Versuche ergaben, daß mit dem erfindungsgemäßen Walzwerk die Nachteile der älteren Walzwerke ver­ hindert werden und somit eine gegenteilige Wirk­ ung eintritt. Die Walzenoberfläche der Arbeits­ walze ist produktabhängig so temperiert, daß zusätzlich ein großer Hafteffekt eintritt. Auf­ grund der tieferen Temperierung der Gegenwalze im Vergleich zur Arbeitswalze erfolgt kein Anhaften an der Walzenoberfläche oder im Nutgrund der Gegenwalze.

Bei zähplastischen Materialien verschieben die Nut­ rillen der materialfreien Gegenwalze die in den Nutrillen befindliche äußere Produktschicht des Materialknets in eine axiale Richtung. Faserbün­ del werden beim Einzug in den Arbeitsspalt von der radialen Einzugsrichtung der gegenläufig an­ getriebenen Walzenoberflächen von den Nutrillen wie von Wendeschaufeln in die axiale Richtung gedreht, so daß die Länge des Faserbündels im idealen Ball parallel zum Arbeitsspalt verläuft.

Diese beabsichtigte Ausrichtung von Faserbündeln und Fasern in axialer Richtung zur Länge des Ar­ beitsspaltes bewirkt, daß die Fasern vor dem Ein­ tritt in den Arbeitsspalt in ihrer Längsachse axparallel zum Arbeitsspalt rotieren. Dabei wer­ den die Fasern nicht mehr geknickt und gebrochen. Die Faserbündel werden wie beim Abrollen einer Teppichrolle in vorteilhafter Weise zu Einzel­ fasern aufgelöst. Dabei wird die Einzelfaser beim Abrollen mit einer plastischen Produktschicht umhüllt.

Sobald die beschriebene Parallelorientierung der Faserbündel und Einzelfaser zum Arbeitsspalt er­ reicht ist, ist die Faser wegen der Abrollbewegung im Arbeitsspalt relativ unempfindlich, solange für eine laminar gleitende Strömung bei der Rotation im Arbeitsspalt und bei der axialen Fortbewegung entlang des Arbeitsspaltes gesorgt ist.

Die unterschiedliche laminare Strömung der Produkt­ schicht in axialer Richtung, parallel zum Arbeits­ spalt, wird dadurch erzeugt, daß die Produktschicht auf der Oberfläche der Arbeitswalze in axialer Richtung vergleichsweise stärker haftet, als an der Gegenwalze.

Die wenigen aber steilgängigen und sehr flachen Nutrillen in der Arbeitswalze, die in axialer Richtung im Vergleich zu den axialen Nutkanten und Nutrillen der Gegenwalze bremsend wirken, sind nur sehr gering transportwirksam. Durch die geringe Nuttiefe wird eine großvolumige Mischung der Pro­ dukte im Nutgrund verhindert.

Die Nutwinkel für die Nutrillen in der Arbeitswalze liegen zwischen 35 und 89 Winkelgrad zur Walzen­ achse, vorzugsweise zwischen 45 und 89 Winkelgrad. Die Nutbreite liegt zwischen 3,0 und 30,0 mm, vor­ zugsweise zwischen 4,0 und 15,0 mm. Die Nuttiefe beträgt 0,4 bis 5,0 mm, vorzugsweise 0,5 bis 2,5 mm. Das Verhältnis Nutbreite zum nutfreien Walzen­ steg beträgt 1 zu 6, vorzugsweise 1 zu 3.

Die Gegenwalze erhält im Vergleich zur Arbeitswalze ein anderes Nutrillenbild. Dabei sind alle Maßnah­ men ergriffen, die einen optimalen Axialschub in der Produktschicht der Arbeitswalze bewirken, ohne daß größere Scher- oder Mischeinwirkungen ein­ treten. Die Nutrillen in der Gegenwalze werden hierfür mit Nutwinkeln im besonders axialförder­ wirksamen Bereich von 30 bis 75 Winkelgrad, vor­ zugsweise von 35 bis 70 Winkelgrad, gemessen zur Walzenachse, ausgeführt.

Die Zahl der Nutrillen auf der Gegenwalze ist min­ destens doppelt so groß wie auf der Arbeitswalze. Das entscheidende Merkmal für die Gestaltung der Nutrillen ergibt sich daraus, daß die nutfreien Abschnitte zwischen den Nutrillen genügend klein sind. Die Stegflächen drücken die zugegebenen Fa­ sern bzw. Zuschlagstoffe in die weiche Produkt­ schicht hinein. Dabei entsteht kein radial rotierender Materialknet im Arbeitsspalt. Die verbleibenden nutfreien Stege verschieben zusätz­ lich das plastische Produkt im Arbeitsspalt in axialer Richtung parallel zum Arbeitsspalt und bewerkstelligen damit den oben beschriebenen Wendevorgang, z. B. von Faserbündeln in die ax­ parallele Richtung.

Dieser Effekt wird, wie in Versuche ermittelt wurde, erreicht, wenn bei der Gegenwalze ein Ver­ hältnis Nutbreite zum nutfreien Walzensteg von 1 zu 0,5 bis 2 max., vorzugsweise 1 zu 1 vorliegt und die Nuttiefe zwischen 0,8 und 10,0 mm, vor­ zugsweise 1,0 bis 5,0 mm beträgt. Sie soll etwa doppelt so tief wie auf der Arbeitswalze sein.

Der verbleibende nutfreie Walzensteg drückt das Produkt, z. B. Faserbündel, durch eine axiale Zieh­ bewegung in das weiche Produktfell wie mit einem Spatel ein. Der Nutgrund in den Nutrillen der Gegenwalze spült sich dabei frei und erzeugt kei­ ne großvolumige Materialrotation in der Produkt­ schicht.

Das Ziel der erfindungsgemäßen speziellen Walzen­ profilierung durch unterschiedliche Nutrillengeo­ metrie ist, daß die von außen in den Knetspalt eingebrachten Materialien mit Hilfe der Nutrillen, vor allem der Gegenwalze, durch eine erzwungene axial ausgerichtete Laminarströmung als Produkt­ schichtung in das Produktfell der Arbeitswalze eingearbeitet werden.

Die Intensität der Laminarströmung wird stärker, wenn der Druckaufbau im Knetspalt durch eine Ver­ größerung des Arbeitsspaltes verkleinert wird. Umgekehrt reduziert man die Axialströmung, wenn durch ein Verkleinern des Arbeitsspaltes der Druckaufbau im Knetspalt vergrößert wird. Mit der gleichen Maßnahme einer Spaltverkleinerung erzeugt man einen radial rotierenden Produkt­ knet und damit eine radiale Ausrichtung von Fa­ sern oder Farbkonzentraten.

Mit Hilfe der Verstellung des Arbeitsspaltes ist das Ausmaß einer Axialorientierung oder einer Radialorientierung bzw. Dehnung von außen steuer­ bar. Zugegebene Farbkonzentrate oder Fasern werden damit einstellbar von außen zweiachsig gespreizt und schichtweise in die Produktschicht eingear­ beitet.

Als weitere Einstellgröße für das Ausmaß einer zweiachsigen Spreizung wird das Friktionsverhält­ nis, d. h. Geschwindigkeit der Arbeitswalze im Ver­ hältnis zur Geschwindigkeit der Gegenwalze, einge­ setzt, wobei eine höhere Geschwindigkeit der Arbeits­ walze die radiale Ausrichtung der Zugabestoffe begünstigt.

Werden die Zugabestoffe an verschiedenen Stellen entlang des Arbeitsspaltes in an sich bekannter Weise (EP 0148 966) zugegeben, entsteht ein Pro­ duktfell und in der Reihenfolge der Zugabe der Zugabestoffe ein schichtweiser Produktaufbau.

In an sich bekannter Weise (EP 0 148 966, EP 0 231 398, EP 0 324 800) wird das Grundmaterial zunächst aus seinen Grundbestandteilen geschmolzen, homogenisiert und dispergiert und dann im gleichen Durchgang auf dem gleichen Walzenballen durch die veränderte Walzenprofilierung und Temperierung im zweiten Teil der Walzen schichtweise Fasern, Farb­ konzentrate, Vernetzer oder Klebstoffe eingebracht werden. Die Abnahme der geschichtet hergestellten Produkte kann als Streifen oder Plättchen (Schei­ bengranulat) erfolgen. Hierfür werden die bekann­ ten Abnahmevorrichtungen eingesetzt.

In Fällen, in denen das erfindungsgemäße Walzwerk mit vorplastifiziertem Produkt beschickt wird und nur die schichtweise Einarbeitung von Fasern oder Farbkonzentraten gewünscht wird, wird das Walzwerk in der Walzenmitte beschickt. Hierbei ist die Wal­ zenprofilierung so ausgebildet, daß das Produkt von der Mitte zu den beiden Walzenenden transpor­ tiert und dort über getrennte Abnahmevorrichtungen abgenommen wird. Werden dann je Walzenseite ver­ schiedene oder verschiedenfarbige Komponenten zuge­ geben, ist eine besonders große Variationsbreite bei geringem technischen Aufwand gegeben.

Auch die Dicke der einzugebenden Farbschichten kann durch örtlich verschiedene Volumensmengen variiert werden.

Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung darge­ stellt und werden nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine Gesamtansicht des Walzwerkes,

Fig. 2 eine Ansicht der beiden Walzen,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Walzen mit Blick auf den Materialknet,

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel mit mittlerer Materialzugabe.

Das Walzwerk 1 mit seinen beiden gegenläufig V1, V2 angetriebenen, temperierbaren Walzen, der Arbeits­ walze 2 und der Gegenwalze 3, bildet einen ver­ stellbaren Arbeitsspalt 4, der über Hydraulikein­ richtungen 5 und 6 von außen gesteuert wird. Über eine Materialaufgabevorrichtung 7 wird das plasti­ fizierbare Material 8 dem Arbeitsspalt 4 zugeführt, in dem sich ein Materialknet 9 bildet. Die in den Oberflächen 10 und 11 der Walzen 2 und 3 einge­ brachten Nutrillen 12 und 13 sorgen für einen axialen Transport des Materials und bilden gleich­ zeitig ein Materialfell 14 um die Arbeitswalze 2. An den Stellen 15, 16, 17 können je nach Bearbeit­ ungszustand weitere Komponenten A, B, C dem Arbeits­ spalt 4 zugeführt werden. Das in den einzelnen Zonen komprimierte, geschmolzene, homogenisierte und dispergierte Produkt wird mittels einer Ab­ nahmevorrichtung 18 von der Arbeitswalze 2 abge­ nommen und einer Auffangvorrichtung 19 zugeführt.

Die Arbeitswalze 2 ist an der Oberfläche 10 mit wenigen steilgängigen Nutrillen 12 versehen, die unter einem Winkel α angeordnet sind. Die Tiefe 20 der Nutrillen 12 ist sehr flach. Die Arbeits­ walze 2 mit den breiten Walzenstegen 21 als Haft­ flächen wirkt bremsend und führt zu einem klei­ nen Axialschub gemäß der Pfeile 22.

Die Gegenwalze 3 ist an der Oberfläche 11 mit vielen zur Arbeitswalze 2 gegenläufigen Nutrillen 13 versehen, die unter einem Winkel β angeordnet sind. Die Tiefe 23 der Nutrillen 13 ist gegenüber der Tiefe 20 der Nutrillen 12 in der Arbeitswalze 2 wesentlich größer. Die durch die schmalen Wal­ zenstege 24 gebildeten kleineren Haftflächen be­ wirken einen größeren Axialschub gemäß der Pfeile 25.

Werden dem plastifizierbaren Material 8 weitere Komponenten zugegeben, bilden sich überlagernde Materialschichten 26, 27, 28, die als geschichtetes Produkt 29 von der Arbeitswalze abgenommen und weiter transportiert werden.

Gemäß Fig. 4 wird vorplastifiziertes Material 8 dem Walzwerk 1 mittig zugeführt. Bei dieser Ausführungsform sind die Arbeitswalze 2 und die Gegenwalze 3 jeweils mit einem Mittelsteg 30 und 31 versehen, an die sich nach links und rechts, gegenüber den Walzen nach Fig. 2, spiegelbildlich die gleichen Nutrillen 12a, 12b und 13a, 13b in der Weise anschließen, daß das Produkt nach links und nach rechts transportiert wird. Dem vorplastifizier­ ten Material 8 werden links und rechts unterschied­ liche Komponenten 32 und 33 bzw. 34 und 35 zuge­ geben. Dadurch bilden sich auf der linken Seite die Materialschichten 8, 32, 33 und auf der rechten Seite die Materialschichten 8, 34, 35, die jeweils als geschichtete Produkte 36 und 37 mittels gesonder­ ter Abnahmevorrichtungen von der Arbeitswalze 2 an deren Enden abgenommen und weiter transportiert werden.

Claims (13)

1. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk für plastizifierbares Material mit zwei, mit unter­ schiedlicher Umfangsgeschwindigkeit gegenläufig rotierenden, unterschiedlich temperierten Walzen (2, 3), die zwischen sich über ihre gesamte Länge einen Plastifizierungsspalt (4) bilden, deren Walzenlänge mehr als das Vierfache des Walzen­ durchmessers beträgt und auf deren Oberflächen (10, 11) scharfkantige Nuten gegenläufig zueinander angeordnet sind, und mit Materialaufgabe- (7) und -abnahmevorrichtungen (18) für verschiedene Mate­ rialtypen und Zugabestoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (10) der Arbeitswalze (2) mit wenigen steilgängigen und sehr flachen Nutrillen (12) und die Oberfläche (13) der Gegenwalze (3) mit mindestens einer doppelt so großen Anzahl von Nut­ rillen (13) mit geringerem Steigungswinkel und gegenüber der Arbeitswalze (2) mit einer doppelt so großen Tiefe versehen sind, wobei die Tempe­ ratur der Arbeitswalze (2) 15 bis 50°C höher einge­ stellt ist als die Temperatur der Gegenwalze (3), und der Plastifizierungsspalt (4) verstellbar ist.

2. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Arbeitswalze (2) die Nutrillen (12) unter einem Winkel (α) zwischen 35 und 89 Winkelgraden zur Walzenachse angeordnet sind, daß die Breite der Nutrillen (12) zwischen 3,0 und 30,0 mm und die Tiefe der Nutrillen (12) zwischen 0,4 und 5,0 mm, bei einem Verhältnis von Nutbreite zu nutfreiem Walzensteg wie 1 zu 6 betragen.

3. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutrillen (12) unter einem Winkel (α) zwischen 45 und 89 Winkelgraden angeordnet sind.

4. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Nutrillen (12) zwischen 4,0 und 15,0 mm beträgt.

5. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nutrillen (12) zwischen 0,5 und 2,5 beträgt.

6. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Nutbreite zu nutfreiem Walzen­ steg (21) wie 1 zu 3 ist.

7. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Gegenwalze (3) die Nutrillen (13) unter einem Winkel (β) zwischen 30 und 75 Winkelgraden zur Walzenachse angeordnet sind, daß die Nuttiefe zwischen 0,8 und 10,0 mm bei einem Verhältnis von Nutbreite zu nutfreiem Walzensteg (24) wie 1 zu 0,5 bis 2 max. beträgt.

8. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutrillen (13) unter einem Winkel (β) zwischen 35 und 70 Winkelgraden angeordnet sind.

9. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuttiefe zwischen 1,0 und 5,0 mm beträgt.

10. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Nutbreite zu nutfreiem Walzen­ steg (24) wie 1 zu 1 ist.

11. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeich­ net, daß Farbkonzentrate oder Fasern an mehreren Stellen (15-17) dem Plastifizierspalt (4) zuführbar sind.

12. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß das plastifizierbare Grundmaterial (8) aus seinen Grundbestandteilen geschmolzen, homogeni­ siert und dispergiert wird und daß dann im gleichen Durchgang auf dem gleichen Walzenballen durch eine veränderte Walzenprofilierung und Temperierung im zweiten Teil der Walzen (2, 3) schichtweise Fasern, Farbkonzentrate, Vernetzer oder Klebstoffe einge­ bracht werden.

13. Kontinuierliches Misch- und Scherwalzwerk nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß dem Plastifizierspalt (4) vorplastifizier­ tes Produkt (8) in der Walzenmitte zugegeben, das von der Mitte zu den beiden Walzenenden transportiert wird und dem rechts und links unterschiedliche Komponenten (32 und 33 bzw. 34 und 35) zugegeben werden und dort über getrennte Abnahmevorricht­ ungen geschichtete Produkte (36 und 37) von der Arbeitswalze (2) abgenommen werden.