DE60211177T2

DE60211177T2 - Misch- und knetvorrichtung für kunststoffe

Info

Publication number: DE60211177T2
Application number: DE60211177T
Authority: DE
Inventors: Giuseppe Ponzielli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-08-16
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2022-08-17
Also published as: DE60211177D1; ITTO20010820A0; EP1419041A1; WO2003018288A1; ES2261713T3; ATE324969T1; EP1419041B1; US20050063246A1; ITTO20010820A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Verarbeitung viskoser Verbindungen, vorzugsweise aber nicht ausschliesslich plastifizierter Polymerverbindungen, wie normalerweise fester thermoplastischer Polymere bei Extrusionstemperaturen, die typisch im Bereich von etwa 150–300°C liegen.
Ein mit dieser Art der Verarbeitung zusammenhängendes Problem ist das gleichmässige Vermischen zusätzlicher Bestandteile oder Zusätze mit solchen Polymerverbindungen. Allgemein erfolgt ein solches Vermischen, wenn die Polymermasse plastifiziert oder geschmolzen ist. Wegen der allgemein hohen Viskositäten von Polymerverbindungen bei Verarbeitungstemperaturen ist dies jedoch nicht problemlos, weil Füllstoffe wie Glasfüller oder -fasern, welche – obwohl manchmal für mechanische Armierung der Endprodukte wesentlich – relativ fragil sind und zum zerkleinert werden neigen oder überaus zerfallsanfällig sind oder sich zersetzen, wenn sie den beim Mischen erzeugten Kräften ausgesetzt werden, sodass ihr maximaler Beitrag zur Endproduktqualität nicht ausgeschöpft wird.
Verschiedene Mittel und Verfahren zum effizienten Vermischen von Zusätzen einschliesslich von Füllern mit Polymerverbindungen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Tatsächlich werden viele Prozessoren vom Schnecken-Extrudertyp für diesen Zweck verwendet, die jedoch dazu neigen, die fragilen Füllstoffe zu zerkleinern. Besondere Erwähnung verdienen Ko-rotierende Doppelschnecken-Extruder, die häufig zum Vermischen thermoplastischer Polymere verwendet werden. Solche Vorrichtungen wurden in den vergangenen Dekaden mit steigender Verarbeitungsgeschwindigkeit entwickelt, z.B. bis zu 1200 U/min., um höchsten Anforderungen an den Durchsatz zu genügen. Es kann jedoch passieren, dass solche Höchstgeschwindigkeiten ernsthaft mit der für verschiedene Anwendungen erforderlichen Qualität in Konflikt geraten, z.B. wenn eine niedrige und eine sehr niedrige Verarbeitungsgeschwindigkeit zum Erzielen bestimmter Qualitätsvorgaben verlangt sind. Es wäre jedoch nicht hilfreich, konventionelle plastifizierende Mischer wie ko-rotierende Doppelschnecken-Extruder zu verwenden und einfach die Verarbeitungsgeschwindigkeit zu verringern, weil bei niedrigen oder sehr niedrigen Geschwindigkeiten die Bedingungen für das Schmelzen nicht mehr erreicht werden können. Wie Fachpersonen auf dem Gebiet der Extrusion bekannt ist, benötigt das Schmelzen von Polymeren oft eine bestimmte Menge der von den rotierenden Schnecken erzeugten Reibungswärme; wenn die Betriebsgeschwindigkeit jedoch unter einen bestimmten kritischen Wert sinkt, erzeugen die rotierenden Schnecken nicht mehr genügend Reibungswärme und das Extrusionssystem liefert nicht genügend thermische Schmelzenergie. Mit anderen Worten, bei Verwendung eines konventionellen Schnecken-Extruders, bei dem der gleiche Schaft sowohl die Plastifikation als auch das Mischen bewirkt, ist es bestenfalls schwierig, gleichzeitig eine optimale Geschwindigkeit für die Plastifizierung sowie eine optimale Geschwindigkeit zum Mischen zu erreichen; dies aus dem einfachen Grunde, dass sich zwei solche optimale Geschwindigkeiten voneinander unterscheiden.
Ein besonderer Prozessortyp zum Beifügen verschiedener Bestandteile zu viskosen Polymerverbindungen in einem Extruder, genannt "Schleuseneinrichtung", ist in EP-A 0 907 492 sowie in den dort erwähnten Verweisen offenbart. EP-A 0 907 492 sei hier zum Zwecke der Offenbarung und Abgrenzung beigeschlossen.
Das Problem der optimalen Beimischung zusätzlicher Bestandteile zu einer Polymermasse und, namentlich die Steuerung von Mischsystemen aufgrund deren Belastung, wurde nicht in einer befriedigenden Weise durch die Mittel und Verfahren des Stands der Technik gelöst.
Untersuchungen, die zur vorliegenden Erfindung führten, haben ergeben, dass eine wirksame Steuerung sowohl von distributiven Effekten als auch von dispersiven Effekten von Mischvorrichtungen und -funktionen für eine optimale Produktqualität benötigt wird in dem allgemeinen Sinne, dass distributive Effekte stark beibehalten werden, während dispersive Effekte zwischen Null und einem maximalen Wert abhängig von der Art des Verarbeitungssystems geregelt werden können. Mit anderen Worten, was benötigt wird, ist ein belastungsgesteuertes Vermischen, hier auch als SCM ("strain controlled mixing") bezeichnet, wobei Belastung definiert ist als Produkt von Schergeschwindigkeit und Scherdauer.
Dementsprechend ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, die Beschränkungen der Mischmittel und -verfahren des Stands der Technik zu überwinden und belastungsgesteuertes Vermischen zu ermöglichen. Es wurde gefunden, dass dieses Ziel erfindungsgemäss mit einer Vorrichtung nach Anspruch 1 erzielt werden kann. Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung weisen die in den Ansprüchen 2–9 angegebenen Merkmale auf.
Ferner bietet die Erfindung ein Verfahren zum belastungsgesteuerten Vermischen eines viskosen Fluidums mit einem Füller oder Pigment, wie in Anspruch 10 angegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in Ansprüchen 11 und 12 angegeben, während Ansprüche 13–15 einen geformten Artikel beschreiben, der durch das Verfahren nach Anspruch 10 erhalten wird.
EP 1 002 633 beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein erster und aufstromseitiger Prozessor zur Erzeugung eines Stroms aus geschmolzenem/plastifiziertem Harz verwendet wird, das in einen zweiten und abstromseitigen Prozessor eingefüllt wird. Dieser zweite Prozessor ist ein ko-rotierender Doppelschnecken-Extruder mit fördernden Bereichen sowie nichtfördernden Bereichen, die abstromseitig von den fördernden Bereichen angeordnet sind und als Schleuseneinrichtung zum Einführen eines weiteren Bestandteils in den Strom aus geschmolzenem thermoplastischen Harz, welches im abstromseitigen Prozessor erzeugt wurde, verwendet wird. Da der zugefügte Bestandteil jedoch Gummi ist, der in der Schleuseneinrichtung geschmolzen und geknetet wird, werden Schmelzen und Beimischen nicht getrennt. Folglich kann kein belastungsgesteuertes Mischen erzielt werden, weil die Energiezufuhr in die Schleuseneinrichtung ausreichend sein muss, um sowohl Schmelzen der zugefügten Bestandteile als auch ein Vermischen der erhaltenen Schmelze mit dem geschmolzenen thermoplastischen, in die Schleuseneinrichtung eingeführten Harz zu erzielen.
Erfindungsgemässe ko-rotierende Rotoren haben ineinander passende Schneckenbereiche, die in den Hohlraum genau eingepasst sind, sind im Stand der Technik bekannt und im Handel erhältlich, typisch in der Form von Elementen zum Zusammenbau auf einem länglichen Kern mit geeigneten Vertiefungen oder Vorsprüngen und entsprechenden Vorsprüngen und Vertiefungen auf der Innenseite der externen Elemente der Rotoren. Solche Elemente können fördernd (Schneckengang mit verschiedenen Neigungswinkeln) oder nichtfördernd oder knetend sein. Ob ein Element der fördernden Art tatsächlich fördernd ist oder nicht, hängt vom Neigungswinkel ab, der "positiv" oder "negativ" in Bezug auf die Rotationsachse sein kann. In diesem Zusammenhang werden die Ausdrücke "positiver Neigungswinkel" resp. "negativer Neigungswinkel" hier als Synonyme zu "positive Steigung" resp. "negative Steigung" verwendet. Eine positive Steigung verursacht allgemein einen Materialfluss zum Auslass hin ("abstromseitige Richtung"), während eine negative Steigung einen Materialfluss zum Einlass hin verursacht ("aufstromseitige Richtung").
Schliesslich wird der Ausdruck "Knetelemente" hier für Elemente verwendet, welche die Form von Förderelementen haben können, jedoch einen Steigungswinkel von 90° aufweisen, um keinerlei Fluss in irgendeiner Richtung zu bewirken. Förderelemente können verschiedene Steigungen haben, und sowohl Förder- als auch Knetelemente können verschiedene Längen aufweisen. Die Länge oder Dicke der Knetelemente beträgt typischerweise von wenigen bis zu mehreren Millimetern, z.B. von 2 mm bis 100 mm, abhängig von der erforderlichen Dispergiergeschwindigkeit des Mischens.
Die Ausdrücke "aufstromseitig" und "abstromseitig" beziehen sich hier auf die Fliessrichtung einer viskosen Masse, die mit erfindungsgemässen Mitteln und nach erfindungsgemässen Verfahren verarbeitet wird. Zum Beispiel wird ein Prozessor (z.B. ein plastifizierender Extruder), der das Einfüllen oder Einlass in die Schleuseneinrichtung bewirkt, als "aufstromseitig" bezüglich der Schleuseneinrichtung angesehen, währenddessen ein Prozessor (z.B. ein Produktionsextruder), der das viskose Material mit den beigemischten Bestandteilen aus der Schleuseneinrichtung empfängt, als "abstromseitig" angesehen wird. In diesem Zusammenhang kann ein Extruder wegen der allgemein spiralförmigen Konfiguration der Rotoren "Schneckenprozessor" genannt werden. Prozessoren, die zwei ineinander passende Rotoren enthalten, können als "Doppelschnecken-Prozessoren" bezeichnet werden und können in Gegenrotation oder in Ko-Rotation betrieben werden, wie in der Fachwelt bekannt ist.
Der Ausdruck "Prozessor", wie er hier verwendet wird, ist jedoch keinesfalls auf Extruder-Prozessoren beschränkt, soll aber unter anderem Ausgabe- oder Formeinrichtungen zur direkten Transformation des Ausgangsmaterials aus der Schleuseneinrichtung in ein Produkt, z.B. in ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Extrudat, z.B. ein Granulat oder eine andere Art von Konzentrat, umfassen. Weitere Beispiele von abstromseitigen Prozessoren in einer erfindungsgemässen Vorrichtung oder Anlage sind Ausgabesteuereinrichtungen wie Zahnradschmelzpumpen oder Schraubflussventile.
Rotoren von Doppelschnecken-Prozessoren, welche typischerweise für den ko-rotierenden Betrieb verwendet werden, weisen die gleichen Strukturen und Grössen auf, was zwar kein kritisches Erfordernis per se ist, aber aus praktischen Gründen wie Wirtschaftlichkeit und Einfachheit bevorzugt wird.
Die Begriffe "Kavität" und "Umschliessung" beziehen sich auf das, was auch ein "Barrel" genannt wird, d.h. der äussere Teil oder Gehäuse eines Schnecken-Prozessors. Wiederum sind passende Barrele verschiedener Hersteller im Handel erhältlich. Solche Gehäuse können versehen sein und verwendet werden mit verschiedenen Temperatur-Steuereinrichtungen wie Kühlmittel und Erhitzer.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Förderschneckenbereich jedes Rotors von einem ersten spiralförmigen, schabenden Schneckenbereich gebildet, der eine positive Steigung aufweist, während der zweite nichtfördernde Bereich jedes der ineinander passenden Rotoren durch einen Knetelementbereich oder durch einen zweiten spiralförmigen, schabenden Schneckenbereich mit einer negativen Steigung gebildet ist.
Die Begriffe "beimischen", "mischen" und "Mischungen" werden hier synonym Begriffen wie "miteinander mischen", "vermischen" und "Abmischung" verwendet und sollen sich auf jegliches Verfahren beziehen, welches die Inhomogenität der Masse, die aus zwei oder mehr Bestandteilen gebildet ist, vermindert. Dies ist ein wichtiger Schritt bei der Polymerverarbeitung, weil mechanische, physikalische und chemische Eigenschaften sowie das Aussehen des Produkts allgemein von der Homogenität der Zusammensetzung eines Produkts abhängig sind. Typische Beispiele für "Mischen", so wie es hier verwendet wird, umfassen sowohl Festflüssig-, Flüssig/flüssig- als auch Gas/flüssig-Systeme, wie das Vermischen von Polymer-Verbindungen mit Farbstoffkonzentraten, Füllern, Gas oder anderen Zusatzstoffen. Daher ist "Mischung" als Ergebnis eines Mischarbeitsschrittes hier definiert als der Zustand, der durch eine Zusammensetzung von zwei oder mehr Bestandteilen gebildet ist, die nicht notwendigerweise in einem festen Verhältnis zueinander stehen und die, allerdings zerkleinert, als Bewahrung eines gesonderten Bestands begriffen werden können aber nicht müssen. Allgemein ist ein erfindungsgemässer Mischarbeitsschritt eine Handlung, die zur Reduktion von Inhomogenität einer Mischung gedacht ist.
Dispersion von Russ oder organischen Pigmenten, Agglomerate oder Cluster in einer viskosen Schmelze, z.B. eines Polyalkens wie Polyethylen und Polypropylen, ist ein typisches und wichtiges Beispiel einer erfindungsgemässen Fest/flüssig-Mischoperation, während das Vermischen von Polymerschmelzen ein Beispiel für eine erfindungsgemässe Flüssig/flüssig-Distributivoperation ist. Ferner ist das Mischen einer gasförmigen Komponente, z.B. Stickstoff in eine viskose LDPE-Polymer-Matrix, um geschäumte Produkte zu erhalten, ein anderes Beispiel einer erfindungsgemässen Gas/flüssig-Mischoperation. Solche Operationen werden von einem vorrangigen Faktor dominiert: der Viskosität solcher Systeme.
Aus diesem Zusammenhang ist ersichtlich, dass Verbindungen mit sehr hohen Viskositäten, z.B. im Bereich von 10'000 Pa·s oder darüber, für die Zwecke der Erfindung als "flüssig" angesehen werden, vorausgesetzt dass solche Verbindungen mit einem extruderatigen Mittel verarbeitet werden können, welches eine geeignete Temperaturregelung zur Aufrechterhaltung von Verarbeitbarkeit einer bestimmten Verbindung enthalten. Während Polymer-Verbindungen bevorzugte Beispiele für erfindungsgemässe Verwendungen darstellen, werden ferner andere Arten viskoser Verbindungen von Stoffen wie Schlamm oder Teer zur Verarbeitung in einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung in Betracht gezogen.
Der hier verwendete Begriff "Polymer-Verbindung" soll sowohl synthetische als auch natürliche und semi-synthetische Polymere umfassen. Der Begriff "Polymer" wird in synonymer Weise wie "makromolekulare Substanzen" verwendet und umfast jegliche Arten von Polymeren wie Homopolymere, Ko-Polymere, Pfropfpolymere und sämtliche Gemische davon einschliesslich Gemischen mit Stoffen, die nicht polymerisch sondern monomerisch oder oligomerisch sind, wie verschiedene Arten von Plastifizierern, Füllern, Stabilisatoren und anderen bei der Verarbeitung verwendeten Zusätzen. Der Begriff "plastifizierend" oder "Plastifikation" betrifft die Transformation eines normalerweise festen Stoffes in einen "erweichten" oder "geschmolzenen" oder einen anderen Viskositätszustand. Typisch wird dies durch Erhitzen einer Polymerverbindung auf eine Temperatur erreicht, bei der die Verbindung fliessfähig wird.
In der Praxis kann die Aufgabe des Vermischens eines zusätzlichen Bestandteils mit einer viskosen Masse von einem fast "rein distributiven Mischen" bis zu einer Kombination von "distributiv-dispersivem Mischen" reichen. Der Begriff "distributives Mischen" wird hier zur Bezeichnung eines Mischvorgangs verwendet, welcher die optimale räumliche Umlagerung der Komponenten fördert, um Inhomogenität der Masse zu minimieren, während der Begriff "dispersives Mischen" hier zur Bezeichnung jener Mischart verwendet wird, bei der in einem Mischschritt ein Minimum an mechanischer Energie zugeführt wird, um die erforderliche Mischqualität zu erreichen. Zum Beispiel ist das zu lösende Hauptproblem in einem typischen Fall von "Weichmischen", bei dem hohle Glaskugeln einer Polymerschmelze verteilt werden, die Glaskugeln im Polymer optimal zu verteilen, ohne die Unversehrtheit der Glaskugeln zu beeinträchtigen, welche so brüchig sein können, dass die Mischbelastung minimiert werden muss.
Ein anderes Beispiel für die Notwendigkeit, die Mischbelastung (hauptsächlich eine Scherbelastung) zu minimieren, ist das Vermischen von zerhackten Glasfasern mit Polymerschmelze. Faserfilamente werden oft in kleinen Bündeln aus Tausenden von zerhackten Glasfasern geliefert, die durch Zusatzstoffe wie Silane, normalerweise als Leimungsmittel usw. verwendet, zusammengehalten werden. Zum Beispiel werden Bündel von zerhackten Filamenten aus Glas vom Typ "E" mit einer typischen mittleren Länge von 3–4,5 mm oder 8–15 mm von grösseren Glasfaser-Herstellern vertrieben, wobei solche zerhackten Glasbündel während des Mischens nur sehr wenig scherbeansprucht werden dürfen, um das Brechen der Glasfasern zu vermeiden.
Noch ein weiterer typischer Fall, bei dem eine Kombination eines hinreichend distributiven Effekts mit einer hochgradig dispergierenden Wirkung erforderlich ist, ist das Vermischen von organischen Pigmenten, z.B. Phtalocyanin-Blau, mit einer Polymerverbindung, z.B. geschmolzenem LLPE, für die Herstellung eines Farb- oder Pigmentkonzentrats. In diesem Fall ist es wünschenswert, Pigmentcluster in einzelne Pigmentpartikel im Mikrometerbereich aufzubrechen. Optimale Dispersion der Partikel ergibt eine hohe Farbstärke des Farbkonzentrats und ist zur Vermeidung von Pigmentflecken bei den Endprodukten unentbehrlich.
Für viele praktische Zwecke sollten distributive Effekte im Allgemeinen gross sein, wohingegen dispersive Effekte eine feine Abstimmung zwischen Null und dem Maximum erfordern. In diesem Zusammenhang sollte erwähnt werden, dass bei den meisten Vorrichtungen zum kontinuierlichen Mischen von viskosen Polymerverbindungen, wie Polymerschmelzen, der Fliessmechanismus eher von der Art eines "Ziehfliessens" als eines positiven Verschiebungsflusses oder eines Scher-Fliessmechanismus ist, weil der Fluss von der Scherung der Flüssigkeit und nicht durch deren Verdrängung induziert ist. Dieses Konzept ist wichtig, weil das Grundgesetz solchen Fliessens wohlbekant ist als Newtonsches Viskositätsgesetz. Im Übrigen ereignet sich Scherfliessen als der Fliessmechanismus, der in ko-rotierenden Doppelschneckenextrudern auftritt.
Ein erfindungsgemässes belastungsgesteuertes Mischsystem (SCM) ist auf alle Arten des Vermischens von Polymeren, Polymerlegierungen, Zugaben von Füll- und Armierungspolymeren, der Herstellung von Farbkonzentraten hoher Qualität mit sehr hohen Pigmentkonzentrationen und anderen Verfahren anwendbar, bei denen der Stand der Technik keine optimalen Lösungen bietet. Ein wichtiger und neuer Aspekt von SCM ist die Besonderheit, dass Mischabläufe gesteuert werden können, um irgendetwas zwischen einer sehr weichen und sehr harten Dispergierrate je nach dem für die besondere Verwendung erforderlichem Mischen vorzusehen, entweder für die Herstellung von Fertigprodukten, Halbprodukten oder Vorprodukten wie Pellets oder Farbkonzentraten. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem Plastifizierung und Mischschritte normalerweise vom selben Extruder vorgenommen werden, welcher zuerst das Polymer schmilzt und ein Mischen abstromseitig von der Plastifizierung vorsieht, basiert ein erfindungsgemässes SCM-System auf einer Separations- und Plastifizierungsstufe aus der Mischstufe durch Verwendung eines aufstromseitigen Prozessors zur Erzeugung der plastifizierten Masse, die in die erfindungsgemässe Schleuseneinrichtung zum Vermischen mit weiteren Bestandteilen des beabsichtigten Produkts eingeführt wird.
Eine typische für die Erfindung belangvolle viskose Masse hat vorzugsweise eine Viskosität im Bereich von etwa 50 bis etwa 10'000 Pa·s für Scherraten zwischen etwa 1 und etwa 1000 s^–1. In diesem Zusammenhang und mit Bezug auf jegliche hier angeführte numerische Werte umfasst der Begriff "etwa" vor solchen numerischen Werten allgemein vernünftige, positive oder negative Abweichungen von bis zu 30% des genannten Wertes.
Wegen der Abhängigkeit der Viskosität vor der Temperatur und allgemeinen Verfahrenserfordernissen werden die Betriebstemperaturen in einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung bevorzugt gewählt im Bereich zwischen dem Schmelz- oder Erweichungspunkt einerseits und der Temperatur der thermischen Entmischung andererseits. Für praktische Zwecke ist ein bevorzugter Bereich von Betriebstemperaturen zwischen etwa 140°C und etwa 320°C für thermoplastische Polymere. Es ist jedoch zu betonen, dass die Anwendung der Erfindung nicht auf thermisch plastifizierte Polymerverbindungen beschränkt ist, sondern für die Verarbeitung von Verbindungen, welche Viskositätswerte im obigen Bereich bei normaler Raumtemperatur (25°C) aufweisen, nützlich ist.
Ein anderes wichtiges Konzept im Zusammenhang mit Mischen ist die Scherbelastung, d.h. die Belastung, die eine Flüssigkeit erfährt, die eine bestimmte Zeit geschert wird. Scherbelastungseinheiten können als Produkt der Scherrate in s^–1 und der Mischzeit in Sekunden definiert werden, woraus eine dimensionslose Grösse resultiert. Ein und derselbe Scherbelastungswert kann aus einer Vielzahl von verschiedenen Scherraten und -zeiten zusammengesetzt sein. Zum Beispiel können 100 Belastungseinheiten entweder aus einer Scherrate von 20 s^–1 und einer Zeit von 5 s oder umgekehrt oder durch eine unendliche Anzahl von Paaren, die multipliziert ein Resultat von 100 ergeben, zusammengesetzt sein. Gewiss haben nicht alle solche Belastungskombinationen den selben Mischwert. Obwohl es unmittelbar einleuchtet, dass die Rolle, die die Zeit spielt, sowohl bei distributivem als auch dispersivem Mischen ähnlich ist, da sie sich auf die Anzahl der Durchgänge durch belangvolle Mischzonen bezieht, die die geschmolzene Masse erfährt, kann eine passende Scherrate dennoch eine kritische Grösse sein, hauptsächlich im Falle von dispersivem Mischen. Da eine ungenügende Mischzeit oder ungenügende Scherrate zu einer inakzeptabel niedrigen Produktequalität führen kann – während exzessive Mischzeit oder Scherrate zu Polymerdegradation und/oder exzessiven Kosten des Verfahrens führen können – können sowohl die Mischzeit als auch die Scherrate mit sehr einfachen Mitteln vom Betreiber von Fall zu Fall bestimmt werden, damit ein optimales spezifisches Mischergebnis erzielt wird. Diese Art von besonderer Steuerung von Mischzeit und Scherrate (Geschwindigkeit des Mischers) ist das, was hier als belastungsgesteuertes Mischsystem (SCM) bezeichnet wird.
Eine wichtige Eigenschaft einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung ist ihre inhärente Fähigkeit, eine einstellbare Scherrate durch Einstellen der Rotationsgeschwindigkeit zu bieten, wenn eine erfindungsgemässe Schleuseneinrichtung betrieben wird. Daher sind typische Rotationsgeschwindigkeiten der Rotoren einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung im Bereich von etwa 5 bis etwa 600 Umdrehungen pro Minute (U/min) und vorzugsweise von etwa 5 bis 300 Umdrehungen pro Minute (U/min).
Bei einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung hängen die Mischzeiten ab von der Geometrie der Schleuseneinrichtung und der Fliessgeschwindigkeit der viskosen Masse, die in die Schleuseneinrichtung eingeführt wird. Aus diesem Grunde kann die Qualität oder Geometrie einer aufstromseitigen Vorrichtung, z.B. eines Plastifizierungsextruders, der die viskose Masse erzeugt, ein nützlicher Parameter bei einer Vorrichtung gemäss einer zweiten allgemeinen Ausführungsform der Erfindung sein, die eine Schleuseneinrichtung als eine Komponente enthält zusätzlich zu einem aufstromseitigen Prozessor zur Erzeugung der viskosen Masse und einem abstromseitigen Prozessor zur Aufnahme der von der Schleuseneinrichtung erzeugten Mischung und deren Einführung in eine Formungsstufe zur Herstellung eines geformten Artikels.
Folglich hat die Schleuseneinrichtung gemäss einer bevorzugten erfindungsgemässen Ausführungsform eine relativ kurze Achslänge und einen relativ breiten Schneckendurchmesser. Eine bevorzugte Schleuseneinrichtung weist ein bevorzugtes Verhältnis auf von Länge des länglichen Hohlraums zum Durchmesser des Hohlraums (auch als L/D-Verhältnis bezeichnet) im Bereich von etwa 2 bis etwa 20.
In diesem Zusammenhang wird das Verhältnis vom äusseren Durchmesser der Schnecke zum Schneckenkerndurchmesser, auch als D/d-Verhältnis bezeichnet, (wobei der Schneckenkern gleich ist wie der äussere Schneckendurchmesser vermindert um die doppelte Kanaltiefe) vorzugsweise relativ hoch sein, um das grösste Mischvolumen zu ermöglichen, das mit den gegebenen Grössen der Schleuseneinrichtung erhalten werden kann. In der Praxis ist die obere kritische Schranke für solch ein D/d-Verhältnis durch das Drehmoment gegeben, das auf die Rotorwellen angelegt werden kann, wobei das Verhältnis genügend hoch sein sollte, damit eine Torsion oder Deformation des Rotors gemäss den bekannten Gesetzen der Mechanik der starren Körper bewirkt wird. Es ist zu bemerken, dass zu einem gegebenen Durchsatz eine bevorzugte erfindungsgemässe Schleuseneinrichtung durch ein Drehmoment gekennzeichnet ist, welches eher klein ist verglichen mit dem Drehmoment, das bei herkömmlichen ko-rotierenden Doppelschneckenextrudern verwendet werden kann. Dies liegt daran, dass herkömmliche Einrichtungen sowohl Schmelzen als auch maximales Mischen bewerkstelligen müssen, wohingegen bei einer Schleuseneinrichtung lediglich das Mischen erfolgt. Daraus ergibt sich ein grosses Verhältnis des in einem herkömmlichen ko-rotierenden Doppelschneckenextruder verwendeten Drehmoments, während das Drehmoment, das bei einer Schleuseneinrichtung verwendet wird, sich typisch im Bereich von etwa 2 bis etwa 4 bewegt.
Als Konsequenz der eben erwähnten Aspekte liegt das D/d-Verhältnis bei einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung bevorzugt im Bereich von etwa 1,3 bis etwa 3 und bevorzugter zwischen etwa 1,4 und etwa 2,5.
Erneut und unter Bezugnahme auf eine Vorrichtung, die eine Schleuseneinrichtung enthält, die zwischen einer aufstromseitigen Baugruppe zur Erzeugung einer viskosen Masse angeordnet ist, die einer Schleuseneinrichtung zugeführt wird, welche wiederum einen abstromseitigen Prozessor zur Herstellung eines geformten Artikels versorgt, wird bevorzugt, dass der aufstromseitige Prozessor ebenfalls ein ko-rotierender Hochgeschwindigkeits-Doppelschnecken-Extruder ist, beispielsweise fähig bei Geschwindigkeiten bis zu 1200 U/min. zu arbeiten und im wesentlichen geeignet, das in die Schleuseneinrichtung einzuleitende Polymer zu schmelzen oder zu plastifizieren; dies bietet eine ausgezeichnete Schmelzleistung bei dichtesten Raumverhältnissen für maximale Verfahrensökonomie, wenn z.B. Kleindurchmesser- oder Hochgeschwindigkeits-Extruder verwendet werden. Zum Beispiel wurde bei der Anwendung der Erfindung erkannt, dass ein aufstromseitiger ko-rotierender Doppelschneckenextruder mit einem Durchmesser von 40 mm und einer Länge von 10–15 Durchmessern, der zur Versorgung einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung verwendet wird, typisch bis zu 0,3–0,4 kg/Stunde·Umdrehung typischer Polyolefine zu plastifizieren vermag, sodass eine Ausgabe von etwa 360 kg pro Stunde bis zu 480 kg pro Stunde bei 1200 U/min. erreicht wird.
Die erfindungsgemässe Schleuseneinrichtung, die stromabwärts vom plastifizierenden ko-rotierenden Doppelschneckenextruder angeordnet ist, sollte für eine entsprechende Zufuhr (z.B. 400 kg) ausgelegt sein und einen Durchmesser haben, der etwa 1 bis 5 mal grösser ist, als der Durchmesser des aufstromseitigen Prozessors (z.B. 120 mm) und eine Gesamtlänge aufweisen, die vom etwa 5 bis zum etwa 15-fachen Durchmesser je nach Anwendung reicht.
Ein anderes belangvolles Verhältnis in diesem Zusammenhang ist das Verhältnis der Rotationsgeschwindigkeit des aufstromseitigen Prozessors (der die Schleuseneinrichtung versorgt) zur Rotationsgeschwindigkeit der Rotoren der Schleuseneinrichtung. Vorzugsweise liegt solch ein Verhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 15.
Eine erfindungsgemässe Schleuseneinrichtung kann in verschiedenen Anordnungen von horizontal bis vertikal betrieben werden, solange die Schwerkraft nicht wesentlich die fördernde Wirkung der Rotoren beeinflusst. Gemäss einer für viele Zwecke bevorzugten Ausführungsform erstrecken sich der Hohlraum und die Rotoren einer Schleuseneinrichtung in einer im wesentlichen vertikalen Richtung in dem Sinne, dass der Materialfluss durch die Schleuse abwärts verläuft, sodass die Schwerkraft zur fördernden Wirkung der ersten Schneckenbereiche eher beiträgt, als sich ihr entgegenzustellen. Eine vertikale Bauweise kann wichtige Vorteile bieten, wie eine kompakte Anordnung, eine vorteilhafte, von der Rotorgeschwindigkeit unabhängige Füllleistung, eine höchst effektive Belüftung der Schmelze stromaufwärts von der Mischzone und andere Vorteile der vertikalen Orientierung.
Wie vorstehend kurz erwähnt, ist die zweite allgemeine Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung oder "Anlage" zur Verarbeitung eines Stroms einer viskosen Polymermasse zur Erzeugung eines geformten Polymer-Extrudats aus der Polymermasse; wobei eine solche Vorrichtung enthält:
mindestens eine Schleuseneinrichtung wie hier beschrieben;
mindestens einen Prozessor, z.B. einen plastifizierenden Extruder und vorzugsweise einen ko-rotierenden Doppelschnecken-Extruder, der aufstromseitig in Wirkverbindung mit der Schleuseneinrichtung steht (d.h. zur Erzeugung der plastifizierten Polymermasse, die in die Schleuseneinrichtung eingefüllt und hier allgemein als "aufstromseitiger Prozessor" bezeichnet wird); und
mindestens einen Prozessor, z.B. einen Produktionsextruder, der mit Formungsmitteln verbunden ist, z.B. einem Kalander, einer Pressmatrize, Spinndüse, Spritzgussform, Pressform, usw., der abstromseitig in Wirkverbindung (hier als "abstromseitiger Prozessor" bezeichnet) mit der Schleuseneinrichtung steht.
Vorzugsweise ist der aufstromseitige Prozessor ein ko-rotierender ineinander passender selbstreinigender Extruder, der einen Hohlraum mit einem Durchmesser aufweist, dass das Verhältnis des Durchmessers zum Durchmesser des länglichen Hohlraums der Schleuseneinrichtung im Bereich von etwa 1:1 und 1:5 liegt.
Gemäss einer weiteren allgemeinen Ausführungsform bietet die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von geformten Artikeln aus einer Polymermasse, die mindestens einen im Normalfall festen Füller enthält; wobei das Verfahren die Bereitstellung einer Vorrichtung wie oben definiert und die Formung der viskosen Polymermasse mit dem Füller für die Herstellung der Artikel umfasst. Obwohl jeglicher bekannte Füllertyp für die erfindungsgemässe Verarbeitung geeignet ist, wird ein besonderer Füllstoff bevorzugt, der aus relativ brüchigem Material wie Mineralglas in der Form von Glasfasern von einer mittleren Länge von mindestens etwa 2 mm, Glashohlkugeln, usw. gebildet ist.
Folglich bietet die Erfindung geformte Artikel, die nach dem hier beschriebenen Verfahren erhalten werden können, z.B. in der Form von tragenden Platten, die eine Polymerverbindung und einen armierenden Füller enthält, um ein Biegemodul von mindestens 6000 MPa (10⁶ Pascal) zu erzielen, vorzugsweise versehen mit einer abriebfesten und rutschfesten Oberfläche.
Schliesslich bietet die Erfindung ein Verfahren zur Verarbeitung von Polymerverbindungen durch Verteilen eines armierenden Füllers darin, das die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung einer plastifizierten Polymermasse; Einführung der plastifizierten Polymermasse in eine Schleuseneinrichtung, wie hier beschrieben; Zufügen eines armierenden Füllers zur plastifizierten Polymermasse in der Schleuseneinrichtung; Verteilen des Armierungsfüllers ohne dessen signifikante Zerkleinerung in der plastifizierten Polymermasse durch Betrieb der länglichen Rotoren; und Ausgabe der plastifizierten Masse mit dem darin verteilten Armierungsfüller.
Die Erfindung wird nun detaillierter beschrieben mit Verweisen zu den beigeschlossenen Zeichnungen, die nicht-beschränkende Beispiele der verschiedenen Ausführungsformen darstellen. Es zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemässen Schleuseneinrichtung;
1A und 1B schematische Schnittansichten der nicht-fördernden Teile der Rotoren einer in 1 dargestellten Schleuseneinrichtung;
1C und 1D Schnittansichten zur Illustration der in 1 dargestellten Rotoranordnung;
2 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemässen mehrteiligen Vorrichtung oder Anlage;
2A, 2B und 2C schematische Seitenansichten verschiedener Formungswerkzeuge am Auslassende des in 2 gezeigten abstromseitigen Produktionsextruders;
3 eine schematische Seitenansicht eines anderen Formungswerkzeugs zur Verbindung mit dem Auslassende des abstromseitigen Produktionsextruders von 2;
4 eine schematische Seitenansicht eines weiteren Formungswerkzeugs zur Verbindung mit dem Auslassende des abstromseitigen Produktionsextruders von 2;
5 und 6 perspektivische Ansichten von bevorzugten Artikeln, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden; und
7 eine schematische, teilweise aufgeschnittene Draufsicht einer erfindungsgemässen mehrteiligen Vorrichtung oder Anlage.
Die in 1 gezeigte Schleuseneinrichtung 10 ist in einer schematischen und teilweise ausgeschittenen Ansicht dargestellt und umfasst einen Hohlraum 11, welcher der Innenraum einer Umschliessung 15 ist in der Form eines Gehäuses oder Barrels zur Aufnahme zweier länglicher Rotoren 12, 14, die an deren oberem Ende 17 mit einem Antrieb (nicht dargestellt in 1) verbunden sind und einen ersten oder oberen fördernden Bereich 121, 141 und einen zweiten oder unteren nicht-fördernden Bereich 161, 182 aufweisen, wie unten im Einzelnen mit Bezug zu 1A und 1B erklärt wird.
Ein erster Einlass 112 nahe dem oberen Ende der Umschliessung 15 dient als Verbindung zum Einführen eines plastifizierten Polymers oder einer anderen Art viskoser Masse, die von einer aufstromseitigen Baugruppe (nicht dargestellt in 1) ausgegeben wird. Ein zweiter Einlass 111 dient zur Einführung eines zusätzlichen Bestandteils, der flüssig oder aus teilchenförmigem Feststoff, typisch einem Füller, sein kann und z.B. aus einem Aufgabetrichter mit oder ohne Metermass (nicht gezeigt in 1) abgegeben wird. Ein Auslass 119 ist am unteren Ende der Schleuseneinrichtung 10 angeordnet zur Verbindung mit einem abstromseitigen Prozessor (nicht gezeigt in 1).
Die nichtfördernden Bereiche 161, 182 der Rotoren 12, 14 können von zwei ineinander passenden Knetbereichen 161a, 182a, wie in 1A dargestellt, oder von zwei ineinander passenden Schneckenbereichen 161b, 182b mit umgekehrter oder negativer Steigung, wie in 1B dargestellt, gebildet sein.
1C stellt weitere Grössen dar, nämlich die Strecke "a" zwischen den Achsen der Rotoren 12, 14 mit einer maximalen Breite "D" der Schneckenbereiche, einer minimalen Breite "d" der Schneckenbereiche und der Breite "h" der Überlappungsfläche.
Eine Vorrichtung oder Anlage 20, die ein erfindungsgemässes belastungsgesteuertes Mischsystem verkörpert, ist schematisch in 2 dargestellt und umfasst eine Schleuseneinrichtung 210, die von einem Paar Rotoren 21a, 21b in einer Umschliessung in der in 1 offenbarten Art gebildet ist, wie oben beschrieben. Die Schleuseneinrichtung 210 ist versehen mit einer optionalen Rückförderungsleitung, die mit durchbrochenen Linien angedeutet ist, und enthält ein herkömmliches Durchflusssteuerungsmittel (nicht gezeigt) zur Regulierung des Grads der Rückförderung, sofern vorhanden.
Die plastifizierte Zufuhrmasse wird erzeugt in einem aufstromseitigen Prozessor 201, bevorzugt einem Extruder, der von einem herkömmlichen Einleitungsverteiler 202 versorgt wird und in Wirkverbindung mit der Schleuseneinrichtung 210 über einen Einlass 211 ist. Ein Füller, z.B. ein armierender oder nicht-armierender Füller und/oder Pigment oder ein anderer Bestandteil des vom abstromseitigen Prozessor 203 zu verarbeitenden Produkts wird durch ein zweites aufstromseitiges Fördermittel 212 zugeführt, das von einem anderen herkömmlichen Einleitungsverteiler 213 versorgt wird.
Die Schleuseneinrichtung 210 enthält einen Antrieb 28 und ist in Wirkverbindung mit einem abstromseitigen Prozessor 203, z.B. einem herkömmlichen Produktionsprozessor. Das Auslassende 204 kann mit einer Ausgabevorrichtung, z.B. einer Kombination 206 einer Schlitzdüse mit einem Kalander, wie in 2A gezeigt, einem Spinndüsenverteiler oder Spinndüse 207, wie in 2B gezeigt, einer Formungsdüse 208, wie in 2C dargestellt oder einer anderen in der Fachwelt der Polymerverarbeitung bekannten Art eines Produktformungsgerätes verbunden sein.
Eine weitere Art Ausgabeeinrichtungen zur Verbindung mit dem Auslassende 204 des abstromseitigen Extruders 203 von 2 ist schematisch in 3 dargestellt. Eine Einrichtung 30 empfängt die vollständig zusammengesetzte plastifizierte Polymermasse, die in einer Schleuseneinrichtung 210 via einen abstromseitigen Extruder 203 mittels eines Verbindungsstücks 304 hergestellt ist und eine Einspritzvorrichtung enthält, die von einem Barrel 32 und einem oszillierenden Hubkolben 31 zur Einspritzung in eine Formmaschine 37 gebildet ist, die zwischen zwei Platten 34, 36 und einer herkömmlichen Form 39 gebildet ist. Natürlich sind Antriebsmittel für den Betrieb des Kolbens 31 und der Formmaschine 37 erforderlich, wurden aber in 3 einfachheitshalber weggelassen.
Eine ähnliche Ausgabevorrichtung 40 ist schematisch in 4 dargestellt, wobei wiederum das Ausgabematerial aus dem abstromseitigen Prozessor 203 von 2 via das Verbindungsstück 404 in eine Einspritzvorrichtung ähnlicher Bauart, wie der in 3 gezeigten, zugeführt wird, d.h. mit einem Barrel 42 und einem darin angeordneten oszillierenden Hubkolben 41. Die viskose Masse wird eingeführt in eine Formpresse 47, die durch eine obere Düse 46 und eine untere Düse 49 zwischen den Platten 44, 45 gebildet ist, die von einem (nicht dargestellten) Antrieb in einer oszillierenden Art betrieben werden.
5 und 6 sind perspektivische Ansichten einer faserarmierten tragenden Platte 50 resp. 60, die aus einer Polymermasse gebildet sind, z.B. auf der Grundlage von rezykliertem Polypropylen, das einen Armierungsfüller enthält, z.B. Glasfasern des oben geschilderten Typs. Die Platten 50, 60 werden von einer Schale 51, 61 gebildet, die vier parallele längs angeordnete Tunnel 52, 62 umschliesst. Platten dieser Art sind per se bekannt, z.B. aus WO 00/31359, auf das für weitere Einzelheiten verwiesen wird. Es können sehr hohe Festigkeiten erreicht werden, z.B. ein Biegemodul von mindestens 6000 MPa. Vorzugsweise und erfindungsgemäss werden die Deckobeflächen durch Einschluss von kleinen festen Glaskügelchen in der Polymermasse, die für die Deckflächenbeschichtung beider verwendet wird, abriebfest gemacht, sowie durch Prägung der Deckoberfläche 53 in einer kalottenförmigen oder Deckoberfläche 63 kreuzweise gerippten Art rutschfest gemacht.
Aus der obigen Erklärungen des erfindungsgemässen SCM-Systems ist es einleuchtend, dass verbessertes Beimischen von erfindungsgemässem Armierungsfüller eine bessere Produktequalität und/oder Wirtschaftlichkeit bietet.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung 70 für belastungsgesteuertes Mischen, z.B. für die Herstellung von Farbkonzentratmaterialien oder Pigmentkonzentraten. Der aufstromseitige Prozessor 701, vorzugsweise ein plastifizierender Extruder, der von einem herkömmlichen Einleitungsverteiler 702 versorgt wird, ist in Wirkverbindung mit einer Schleuseneinrichtung 710 via einen Einlass 711. Ein Einleitungsverteiler 71 wird zur Einführung eines flüssigen oder festen Bestandteils, z.B. eines Stabilisators, Pigments oder anderer herkömmlichen Komponente zur Polymerverarbeitung in die Schleuseneinrichtung 710 verwendet. Bemerkenswert ist, dass im Falle der Einführung von Gas, wie Stickstoff, zum Beimischen in eine viskose Polymermasse in der Schleuseneinrichtung, das Gas durch eine herkömmliche Gasdüse an einer Stelle des länglichen Hohlraums 11 zugeführt werden sollte, die nahe der nicht-fördernden Zone 161, 182 ist, damit ein Entweichen des Gases verhindert werden kann, wie es Fachpersonen auf dem Gebiet der Herstellung von Produkten auf der Basis von geschäumten Polymerverbindungen wohlbekannt ist. Antriebs- und Übersetzungsmittel 77, 72 sind für den Betrieb der Schleuseneinrichtung 710 vorgesehen, deren Ausgabe in eine herkömmliche Faserdüsengruppe 703 zum weiteren Pelletieren geführt wird.
BEISPIELE
Beispiel 1
Rezykliertes Polypropylen wurde in einem aufstromseitigen Prozessor (Schneckendurchmesser 45 mm, Länge 25D) von einer Vorrichtung wie in 2 plastifiziert und in eine Schleuseneinrichtung (ko-rotierende, voll ineinander greifende selbstreinigende Doppelschnecke; Schneckendurchmesser 60 mm, Länge 10D und ein nicht-fördernder Endbereich wie in 1B dargestellt) als plastifizierte Polymermasse unter Betriebsbedingungen zur Plastifikation eingeführt. Zerhackte Glasfasern von einer Initiallänge von etwa 8 bis 10 mm wurden von einem Einteilungsverteiler zugefügt, damit sie etwa 30 Gew.-% der Endzusammensetzung ausmachen, welche aus der Schleuseneinrichtung zum abstromseitigen Prozessor und von da in einen Extrusionskopf und, weiterhin stromabwärts, in einen Kalibrierungsbereich geführt wird zur Herstellung von Bauplatten mit einer Biegesteifheit von etwa 7000 MPa.
Beispiel 2
Handelsübliches lineares Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE) wurde in einem aufstromseitigen Prozessor von einer Vorrichtung plastifiziert, wie in 2 gezeigt und in Beispiel 1 spezifiziert, und in eine Schleuseneinrichtung (nicht-fördernder Endbereich wie in 1A gezeigt) als plastifizierte Polymerverbindung eingeführt. Mikronisiertes Calciumcarbonat wurde durch einen Einleitungsverteiler zugefügt, bis es etwa 50 Gew.-% der Endzusammensetzung ausmachte, die aus der Schleuseneinrichtung zum abstromseitigen Prozessor, der zur Herstellung von hochgradig gefüllter dehnbarer Folie eingerichtet war, geleitet wurde.
Das erhaltene Folienprodukt hatte ein sehr gutes Aussehen und war imstande, nach Streckung (etwa bis zum 3,5-fachen seiner Länge im ungestreckten Zustand) Wasserdampf durchzulassen.
Beispiel 3
Es wurde eine Reihe von Tests mit einer Schleuseneinrichtung gemäss 1 durchgeführt, die ein D/d-Verhälnis (Verhältnis von innerem Barrel-Durchmesser zu demselben um die doppelte Schneckentiefe verminderten Wert) von 1,72 und eine vertikale Anordnung aufwies. Verschiedene geschmolzene Polymerverbindungen wurden bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Verweilzeiten und Mischvolumina je nach der spezifischen Aufgabenstellung verarbeitet. Die Resultate sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1 (Schneckendurchmesser 60 mm)

* Die effektive Schergeschwindigkeit wurde für eine Schneckenkanaltiefe von 12,5 mm berechnet und die Vergleichsscherbelastung wurde durch Division aller mittleren Belastungswerte Werte durch den Wert von Fall 1 bestimmt.

Obwohl verschiedene Ausführungsformen offenbart und detailliert dargestellt wurden, muss betont werden, dass sich eine solch detaillierte Offenbarung auf nicht beschränkende Beispiele bezieht, sodass verschiedene Modifikationen und Änderungen offensichtlich sind. Obwohl zum Beispiel die Temperatur- und Druckbedingungen des Betriebs nicht in allen Einzelheiten erklärt wurden, ist es offensichtlich, dass die Viskosität ein temperaturabhängiger Parameter ist, aber dass die Betriebstemperaturen nicht zu Entmischung führen dürfen. Ferner ist bekannt, dass der Betrieb von Schneckenprozessoren wegen der viskosen Wärmeabgabe, die parallel zum Mischen auftritt, zu Wärmeproduktion neigt, sodass Kühl- und/oder Heizmittel zum optimalen Betrieb der Erfindung erforderlich sein können. Von verschiedenen anderen Betriebsparametern ist bekannt, dass sie für kommerziellen Betrieb von praktischer Wichtigkeit sind und sie werden hier aus Gründen der Knappheit nicht diskutiert. Der Umfang der Erfindung soll daher durch Auslegung der nachfolgenden Ansprüche zusammen mit den Kenntnissen von Fachpersonen auf dem Gebiet der Polymerverarbeitung bestimmt werden.

Claims

Vorrichtung zum Vermischen einer viskosen Masse mit mindestens einem zusätzlichen Bestandteil, der gewählt ist aus Füllern, Fasern, Pigmenten, Farbkonzentraten und Gasen, wobei die Vorrichtung einen aufstromseitigen Plastifizier-Extruder (201, 701) zur Erzeugung eines Stroms aus einer viskosen Polymermasse und einen abstromseitigen Prozessor zur Aufnahme des Stroms und zur Einführung des zusätzlichen Bestandteils umfasst, wobei der abstromseitige Prozessor eine Schleuseneinrichtung (10) zur Aufnahme der viskosen Masse aus dem aufstromseitigen Plastifizier-Extruder und zum Einmischen des mindestens einen zusätzlichen Bestandteils ist, wobei die Schleuseneinrichtung umfasst: einen länglichen Hohlraum (11), der von einer Umschliessung (15) gebildet ist und eine Länge und einen Durchmesser (D) aufweist und der umfasst: einen ersten Einlass (112) zum Einführen der viskosen Masse in die Schleuseneinrichtung; und mindestens einen zweiten Einlass (111) zum Einführen des mindestens einen zusätzlichen Bestandteils; und ein Auslassende (119) abstromseitig vom ersten und zweiten Einlass zum Verbinden der Schleuseneinrichtung mit einem Prozessor, zwei längliche Rotoren (12, 14) zur Ko-Rotation im Inneren des Hohlraums (11), wobei die länglichen Rotoren jeweils aufweisen: einen ersten und ineinander passenden Schneckenbereich (121; 141), der dem Hohlraum (11) genau angepasst und zur Zwangsförderung der viskosen Masse und des darin verteilten mindestens einen zusätzlichen Bestandteils durch den Hohlraum (11) zu dessen Auslassende (119) ausgebildet ist; und mindestens einen nichtfördernden Bereich (161; 182) abstromseitig von jedem der ersten Bereiche (121; 141), um die Verteilung des mindestens einen zusätzlichen Bestandteils in der viskosen Masse zu optimieren; wobei der Durchmesser (D) des Hohlraums (11) etwa 1 bis 5 mal grösser als der Durchmesser des aufstromseitigen Plastifizier-Extruders ist und der Hohlraum ein Länge:Durchmesser-Verhältnis im Bereich von etwa 2 bis etwa 20 aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der erste Schneckenbereich (121; 141) der Rotoren (12; 14) jeweils von einem ersten spiralförmigen, schabenden Schneckenbereich mit positivem Gang gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der nichtfördernde Bereich (161; 182) jedes der ineinander passenden Rotoren (12; 14) von einem Knetelementbereich (161a; 182a) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der nichtfördernde Schneckenbereich (161; 182) jedes der ineinander passenden Rotoren (12; 14) von einem zweiten spiralförmigen, schabenden Schneckenbereich (161b; 182b) mit negativem Gang gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, bei der sich der von der Umschliessung (15) gebildete längliche Hohlraum (11) in einer praktisch senkrechten Richtung erstreckt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5 zur Verarbeitung des Stroms aus der viskosen Masse zur Erzeugung eines Extrudats, das aus der viskosen Masse und beigemischtem Füller, Fasermaterial oder Pigment gebildet ist, wobei die Vorrichtung zusätzlich umfasst: mindestens einen Prozessor (203; 703) in abstromseitiger Arbeitsverbindung mit der Schleuseneinrichtung zur Herstellung eines geformten Produktes.
Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der mindestens eine Prozessor (203; 30; 40; 703), der abstromseitig in Arbeitsverbindung mit der Schleuseneinrichtung steht, eine Austragvorrichtung (206; 207; 208; 37; 47; 703) zur Formung der aus der Schleuseneinrichtung austretenden viskosen Masse hat.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6–7, bei der der Plastifizier-Extruder (201; 701), der aufstromseitig mit der Schleuseneinrichtung verbunden ist, ein ko-rotierender Extruder mit ineinander passenden selbstreinigenden Schnecken ist.
Verfahren zum belastungsgesteuerten Vermischen einer viskosen Masse mit mindestens einem zusätzlichen Bestandteil, der gewählt ist aus Füllern, Fasern, Pigmenten, Farbstoffkonzentraten und Gasen, wobei das Verfahren die Schritte der Erzeugung eines Stroms einer viskosen Polymermasse in einem Plastifizier-Extruder (201; 701) und der Zuführung des Stroms in einen stromabwärts angeordneten Prozessor zum Vermischen mit mindestens einem zusätzlichen Bestandteil umfasst; wobei der stromabwärts angeordnete Prozessor eine Schleuseneinrichtung (10) zur Aufnahme der viskosen Masse aus dem Plastifizier-Extruder ist, wobei die Schleuseneinrichtung umfasst: einen länglichen Hohlraum (11), der aus einer Umschliessung (15) gebildet ist, eine Länge und einen Durchmesser (D) hat und umfasst: einen ersten Einlass (112) zur Einführung der viskosen Masse in die Schleuseneinrichtung; und mindestens einen zweiten Einlass (111) zur Einführung des mindestens einen zusätzlichen Bestandteils; und ein abstromseitig vom ersten und zweiten Einlass angeordnetes Auslassende (119) zur Verbindung der Schleuseneinrichtung mit einem Prozessor; zwei längliche Rotoren (12; 14) zur Ko-Rotation im Innern des Hohlraums (11); wobei die Rotoren jeweils aufweisen: einen ersten und ineinander passenden Scheckenbereich (121; 141), der dem Hohlraum (11) genau angepasst und zur Zwangsförderung der viskosen Masse und des mindestens einen darin verteilten zusätzlichen Bestandteils durch den Hohlraum (11) zu dessen Auslassende (119) ausgebildet ist; und mindestens einen nichtfördernden Bereich (161; 182) abstromseitig von jedem der ersten Bereiche (121; 141), um die Verteilung des mindestens einen zusätzlichen Bestandteils in der viskosen Masse zu optimieren; und Betreiben der Schleuseneinrichtung zur Maximierung von distributiven Effekten, während die dispersiven Effekte zwischen Null und dem Maximum gehalten werden.
Verfahren nach Anspruch 9 zur Herstellung von geformten Artikeln aus einer mindestens einen Füller enthaltenden Polymermasse, das den Schritt der Zuführung des erhaltenen Gemischs in einen abstromseitigen Prozessor (203; 30; 40; 703) zur Herstellung der geformten Artikel aus dem Gemisch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Füller ein teilchenförmiger Armierungsfüller ist, wie Glasfasern mit einer mittleren Länge von mindestens 2 mm.
Geformter Artikel, erhalten nach dem Verfahren gemäss einem der Ansprüche 10–11, der eine tragende Platte (50; 60) ist, die Polypropylen als Polymermasse und etwa 30 Gew.-% von Kurzglasfasern mit einer Anfangslänge von etwa 8–10 mm als armierenden Füller enthält, um ein Biegemodul von mindestens 6000 MPa zu erzielen.
Geformter Artikel nach Anspruch 12, bei dem die tragende Platte eine abriebfeste und rutschfeste Oberfläche aufweist.
Geformter Artikel, erhalten nach dem Verfahren gemäss Anspruch 10, der eine dehnbare Folie ist, die LLDPE und etwa 50 Gew.-% mikronisiertes Calciumcarbonat enthält.