DE69020743T2

DE69020743T2 - Verfahren und vorrichtung zum transfer von geschmolzenen polymeren zu einer extrusionspinndüse.

Info

Publication number: DE69020743T2
Application number: DE69020743T
Authority: DE
Inventors: Martin Allen; John Fetcko
Original assignee: Exxon Chemical Patents Inc
Current assignee: ExxonMobil Chemical Patents Inc
Priority date: 1989-12-08
Filing date: 1990-11-29
Publication date: 1996-01-11
Anticipated expiration: 2010-11-30
Also published as: CA2070829A1; DE69020743D1; US5061170A; MX174545B; JPH05503047A; EP0504310B1; CN1053032A; AU7158491A; WO1991008884A1; KR920703288A; EP0504310A1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft allgemein die Umwandlung von Polymerharz in die geschmolzene Form zur Verwendung in einer Stromabwärts liegenden Anwendung wie einer Schmelzblasdüse, einer Spinndüse, einer Klebstoffauftragungsdüse, einer Formdüse und dergleichen. Gemäß einem Aspekt betrifft die Erfindung ein System zum Transfer von unter Druck stehender Polymerschmelze zu einer Extrusionsdüse unter Verwendung eines vollständig integrierten Systems. Gemäß einem speziellen Aspekt betrifft die Erfindung ein Transfersystem für Polymerschmelze zur Verwendung bei Schmelzblasverfahren.
Bei vielen Anwendungen, die die Verwendung von geschmolzenem Polymer beinhalten, muß das Polymerharz nicht nur geschmolzen werden, sondern muß auch unter Druck mit einer kontrollierten Geschwindigkeit und Temperatur zu einer Düse befördert werden. Beispielsweise wird bei der Herstellung von Schmelzblasprodukten Harz durch einen Extruder verarbeitet, der das Polymer schmilzt und bei typischen Temperaturen von zwischen etwa 205ºC und 425ºC (400ºF und 800ºF) und Drücken bis zu etwa 4,8 MPa (700 psi) zu einer Düse fördert. Die Schmelzblasdüse umfaßt einen Satz nebeneinanderliegender Düsenöffnungen, die von Luftkanälen flankiert sind. Das geschmolzene Harz wird durch die Düsenöffnungen extrudiert und bildet Fasern, die durch Ströme von Heißluft, die aus den Luftkanälen abgegeben werden, gestreckt und verkleinert (dünner gemacht) werden. Die Fasern in Mikrogröße werden auf einer Trommel oder einem Förderer in Form von verfilzten Fasern aufgenommen, die einen Vliesstoff bilden, oder können auf ein Substrat aufgebracht werden. In einigen Schmelzblassystemen ist eine Zahnradpumpe zwischen dem Extruder und der Düse angeordnet, um eine dosierte Menge an geschmolzenem Polymer zu der Düse zu fördern.
Ein weiteres Verfahren, auf das die vorliegende Erfindung verwendbar ist, sind die Spinnverfahren. Bei diesen Verfahren wird das geschmolzene Harz durch den Extruder durch eine Spinndüse gefördert, die lange, allgemein kontinuierliche Fasern bildet und sich von den Schmelzblasverfahren durch das Fehlen verkleinernder Luftströme unterscheidet. Die Durchmesser von Spinnfasern sind allgemein viel größer als die von Schmelzblasfasern.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf die Sprühauftragung von geschmolzenen Beschichtungen und Klebstoffen anwendbar. Bei diesem Verfahren wird eine geschmolzene Polymerbeschichtung oder ein geschmolzener Klebstoff durch Verwendung einer Luftextrusionsdüse, die einen Luft-Bauteil einschließen kann, auf ein Substrat aufgebracht. Dieses Verfahren kann als Schmelzblasverfahren angesehen werden, da Luft zum Strecken und Verkleinern der Polymerströme verwendet wird, wenn sie die Düsenöffnungen verlassen.
Diese Verfahren beinhalten alle die Extrusion einer Polymerschmelze durch eine Düse, erfordern aber allgemein unterschiedliche Polymere oder unterschiedliche Polymereigenschaften.
In allen diesen Anwendungen besteht ein Bedarf nach einem einfachen effektiven System zum Transfer der Polymerschmelze mit kontrollierten Geschwindigkeiten, Drücken und Temperaturen. Die konventionellen Transfersysteme (Fördersysteme) beinhalteten die Verwendung von langen Extruderschnecken (L/D in der Größenordnung von 30/1) mit enger Toleranz. Die enge Toleranz zwischen der Schnecke und dem Schneckenzylinder schert das Polymer und erzeugt Wärme, die zum Schmelzen des Polymers beiträgt. In einigen Anwendungen werden Zahnradpumpen in Reihe mit dem Extruder verwendet. Die konventionellen Polymertransfersysteme sind eine Anordnung von getrennten Teilen (z. B. Extruder und Zahnradpumpe), die allgemein auf die erhältlichen Konstruktionen und Strukturen beschränkt sind. Solche Systeme repräsentieren keine vollständig integrierten Systeme und müssen daher mit getrennten Steuerungen, Antriebsmaschinen, Heizeinrichtungen, etc. versehen werden.
In FR-A-1 160 385 ist eine Schmelzspinnvorrichtung beschrieben, in der Polymermaterial durch einen Schneckenextruder einer Verdrängerpumpe des Rotationszahnradtyps zugeführt wird, wobei die Antriebswelle der Pumpe von der Schnecke des Extruders angetrieben wird. Dem Schneckenextruder zugeführtes körniges Polymermaterial wird durch ein Versorgungsnetz in Form eines Spiralrohrs, das in einem Speisetrichter angeordnet ist, auf die Schmelztemperatur vorgeheizt.

Zusammenfassung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Polymertransfersystem ist ein integriertes System, das einen Polymerharztrichter einschließlich Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter, einen Körper mit einer darin montierten Schneckenvorrichtung und Einrichtungen zum Heizen des Körpers, eine Zahnradpumpe und eine Antriebsmaschine, um sowohl die Zahnradpumpe als auch die Schnecke anzutreiben, umfaßt. Der Entleerungskanal der Zahnradpumpe erstreckt sich durch den erwärmten Körper hindurch, um die Polymerschmelze zu einer Extrusionsdüse zu fördern. Somit werden die Schnecke und die Zahnradpumpe von der gleichen Antriebsmaschine angetrieben und das hindurchgeleitete Harz wird von den gleichen Heizelementen erhitzt.
Demnach liefert die vorliegende Erfindung ein System zum Transfer einer Polymerschmelze zu einer Extrusionsdüse mit einem Körper, der mit einer Schneckenkammer und darin gebildeten Kammereinlaß- und -auslaßkanal versehen ist, einem auf dem Körper montierten Harztrichter zum Einspeisen von Harz in den Schneckeneinlaßkanal, Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter, Einrichtungen zum Erwärmen des Körpers und Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter, wodurch Harz als Schmelze in den Schneckenkammereinlaßkanal eintritt, einer Schnecke, die in der Schneckenkammer montiert ist, einer mit dem Körper verbundenen Verdrängerrotationspumpe, die zur Aufnahme der Polymerschmelze aus dem Schneckenauslaßkanal vorgesehen ist, einem Pumpenentleerungskanal zum Leiten von unter Druck stehender Polymerschmelze aus der Pumpe, wobei die Einrichtungen zum Erwärmen des Körpers so eingerichtet sind, daß sie den Körper mindestens in den die Schneckenkammer umgebenden Bereichen erwärmen, Rohrleitungen, die den Pumpenentleerungskanal mit der Extrusionsdüse verbinden, einer Antriebswelle, die so angeschlossen ist, daß sie die Rotationspumpe und die Schnecke antreibt, wobei die Rotation der Welle die Schnecke und die Rotationspumpe zeitlich abgestimmt antreibt, um zu veranlassen, daß die Schmelze von dem Trichter durch die Schneckenkammer, durch die Rotationspumpe und durch den Pumpenentleerungskanal zu der Extrusionsdüse fließt, und das System dadurch gekennzeichnet ist, daß
(a) die Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter eine wärmeleitende Grundfläche, die am Boden des Trichters montiert ist, und mehrere wärmeleitende Rippen einschließen, die sich von der Grundfläche nach oben erstrecken, um Wärme von ihr abzuleiten,
(b) der Außendurchmesser der Schnecke mindestens 10 % geringer als der Durchmesser der Schneckenkammer ist, und
(c) der Pumpenentleerungskanal sich durch den Körper neben der Schnecke erstreckt, wodurch die Einrichtungen zum Erwärmen des Körpers dem Polymer in dem Pumpenentleerungskanal Wärme zuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Vorrichtung außerdem einen in dem Entleerungskanal angeordneten Filter und ein durch Druck aktiviertes Sicherheitsventil, um die Schmelze in die Schneckeneinrichtung zurückzuführen.
Vorzugsweise ist die Schnecke eine relativ kurze (L/D weniger als 15:1) Schnecke mit niedriger Toleranz (hohem Schneckenspiel) zur Förderung von Polymerschmelze zu der Zahnradpumpe. Das hohe Spiel (10 % oder mehr) vermeidet eine übermäßige Scherung der Polymerschmelze.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Vorheizen eines thermoplastischen Polymerharzes zur Bildung einer Schmelze, das Leiten der Schmelze durch einen erwärmten Körper, um die Schmelze weiter zu erhitzen und zu der Zahnradpumpe zu fördern, das Pumpen der Schmelze durch den geheizten Körper und zu einer Extrusionsdüse, und das Extrudieren der Schmelze unter Bildung eines extrudierten oder geformten Produktes oder einer Beschichtung.
Gemäß einer spezifischen Ausführungsform wird die Erfindung auf den Transport einer Schmelze zu einer Schmelzblasdüse angewendet, die verwendet wird, um Schmelzblasfolien herzustellen oder Polymerbeschichtungen oder Klebstoffe auf ein Substrat aufzubringen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Seitenrißansicht, die das erfindungsgemäße Polymertransfersystem zeigt, das mit einer Schmelzblasdüse verbunden ist, welche schematisch dargestellt ist.
Figur 2 ist eine Endansicht des Fördersystems aus Figur 1 mit weggelassenen Abschnitten, das entlang der Schnittachse 2-2 der Figur 1 dargestellt ist.
Figur 3 ist eine horizontale Schnittansicht des Fördersystems aus Figur 1 entlang ihrer Schnittebene 3-3.
Figur 4 ist eine Schnittansicht des in Figur 3 dargestellten Pumpenadapters entlang der Schnittebene 4-4 der Figur 3.
Figur 5 ist eine Schnittansicht der in Figur 3 illustrierten Zahnradpumpe entlang der Schnittebene 5-5 der Figur 3.
Figur 6 ist eine perspektivische Ansicht mit weggelassenen Abschnitten, die die Trichterkonstruktion des Fördersystems zeigt.
Figur 7 ist eine vergrößerte Schnittansicht eines Abschnitts von Figur 2, der die Einrichtungen zur Montage der Heiz- und Rippenzusammenstellung zeigt, die in Figur 6 in dem Trichter des Systems gezeigt sind.

Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltungen

Wie schematisch in Figur 1 dargestellt, umfaßt das Polymertransfersystem 10 der vorliegenden Erfindung einen geheizten Körper 11, einen über dem Körper 11 angeordneten Trichter 12 (mit Harzvorheizeinrichtungen), einer auf Welle 17 in Körper 11 montierten Schnecke 14, einer auf Welle 17 montierten Zahnradpumpe 16 und Antriebsmaschine 18 zum Antreiben der Antriebswelle 17. Die Antriebsmaschine 18 (z. B. Elektromotor) treibt Welle 17 über Schaltgetriebekombination 19, Welle 21 und Kupplung 22 an.
Kurz gesagt ist der Ablauf wie folgt: Harz wird in Trichter 12 vorgeheizt und geschmolzen und durch die Schwerkraft in die Schnecke 14 in dem geheizten Körper 11 eingespeist. Die Schnecke 14 fördert die Schmelze zwangsweise zu der Zahnradpumpe 16, die die Schmelze durch den geheizten Körper 11 und zu der Extrusionsdüse 23 pumpt. Der Pumpendruck ist ausreichend, um die Schmelze durch die Extrusionsdüse zu extrudieren.
Die Details des Transfersystems werden in bezug auf fünf Hauptteile beschrieben: die Schneckeneinrichtung, die Zahnradpumpeneinrichtung, die Filtereinrichtung, die Sicherheitsventileinrichtung und die Trichtereinrichtung. Diese Teile sind in eine bewegbare ganzheitliche Struktur integriert, die im Betrieb effizient ist und leicht an eine Vielfalt von Anwendungen anpassbar ist.

Die Schneckeneinrichtung (Figuren 3 und 4)

Der Körper 11 ist vorzugsweise aus einem Block aus Metall wie Stahl, Stahllegierungen oder Aluminium hergestellt, der aus dem Vollen gebohrt oder aufgebohrt ist, um die hier beschriebenen Aussparungen, Kammern und Kanäle zu bilden. (Der Körper 11 kann auch aus wärmeleitendem Hochtemperaturkonstruktionswerkstoff hergestellt sein).
Wie in Figur 3 gezeigt, hat der Körper 11 eine aus dem Vollen gebohrte Bohrung 26 mit großem Durchmesser, die die Schnekkenkammer 27 festlegt (auch als Schneckenzylinder bezeichnet). Ein Loch 28 mit kleinem Durchmesser erstreckt sich coaxial von Kammer 27 durch das Ende von Block 11. Die Kammer 27 und das Loch 28 nehmen die Schneckeneinrichtung auf, die Schnecke 14 umfaßt, welche ein integral mit Welle 17 an 29 verbundenes Ende und ein entgegengesetztes Ende, das mit Wellenstumpf 31 integral verbunden ist, aufweist. Die Schnecke 14 und die Wellen 17 und 31 können aus dem gleichen Stahlkörper spanabhebend gearbeitet sein.
Die Schnecke 14 ist in Kammer 27 eingebaut, und der Wellenstumpf 31 ist in Lager 32 in Loch 28 gelagert. Ein Axiallager 33 kann zwischen Lager 32 und Schnecke 14 angeordnet sein. O-Ring 34, der in einer Nut auf Welle 31 montiert ist, hält eine Flüssigkeitsdichtung zwischen der Welle 31 und Lager 32 aufrecht.
Die Schnecke 14 erstreckt sich im wesentlichen über die gesamte Länge der Kammer 27. Welle 17 erstreckt sich von der Schnecke 14 axial nach außen (wobei nur ein geringer Anteil bei 29 sich innerhalb der Kammer 27 befindet) und ist mit dem Antriebszahnrad der Zahnradpumpe 16 verschlossen.
Die Schnecke 14 ist so konstruiert, daß sie, wenn sie rotiert, Polymer durch Kammer 27 (von rechts nach links, wie in Figur 3 zu sehen) fördert, um für eine Zwangsförderung zu Zahnradpumpe 16 zu sorgen. Die Schnecke 14 kann eine Vielfalt von Gestalten und Formen annehmen. Die in Figur 3 illustrierte Schnecke 14 ist eine Nutschnecke, wobei eine spiralige Nut 24 durch einen Führungsabschnitt 25 getrennt ist. Die Nut verjüngt sich mit 45º in bezug zur Schneckenachse und ist mit einer Ganghöhe von 0,615 in (1,56 cm) oder 1,625 Windungen pro inch (0,64 Windungen/cm) versehen. Der durch Bohrung 26 festgelegte Schnekkenzylinder ist so bemessen, daß für ein relativ großes Spiel zum Außendurchmesser (OD) von Schnecke 14 gesorgt ist, um Scherung der Harzschmelze zu vermeiden. Das Spiel soll mindestens 10 % und nicht mehr als 60 %, vorzugsweise mindestens 15 % bis 55 % und am meisten bevorzugt 20 bis 50 % betragen, was wie folgt berechnet wird:
% Spiel = 100 (Zylinderdurchmesser-OD der Schnecken/ Zylinderdurchmesser
Adapterblock 35 paßt die Zahnradpumpe 16 an die Schneckeneinrichtung an. Der Adapterblock 35 ist mit Schrauben 30 an Körper 11 befestigt und bedeckt das freie Ende von Kammer 27. In Adapterblock 35 ist eine mittige Öffnung 37 gebildet, die mit Kammer 27 fluchtet. Welle 17 erstreckt sich durch die Öffnung 37 und ist in Lager 36 an dem Adapterblock 35 gelagert. Ein Polymerdurchflußkanal 38 erstreckt sich durch den Block 35 parallel zu Öffnung 37 und dient dazu, Polymer von Kammer 27 zu Zahnradpumpe 16 zu leiten. In Block 35 ist auch ein schräger Durchflußkanal 40 zum Leiten von Polymerschmelze aus der Zahnradpumpe 16 zu Körper 11 wie zuvor beschrieben gebildet.

Zahnradpumpeneinrichtung (Figuren 3 und 5)

Die Zahnradpumpe 16 umfaßt Gehäuse 42, das Pumpenkammer 43 definiert, Endplatten 44 und 45 und die inneren Zahnräder 46 und 47. Welle 17 erstreckt sich durch die Pumpenkammer 43 und ist mit dem angetriebenen Rad 46 verschlossen. Das auf Drehzapfen 50 montierte Zwischenzahnrad 47 ist in Eingriff mit Antriebsrad 46. Endplatte 45 ist zwischen dem Gehäuse 42 und dem Adapterblock 35 angeordnet. Ein in Endplatte 45 gebildeter Kanal 48 fluchtet mit Kanal 38 der Adapterplatte 35 und dient dazu, Polymerschmelze zu Pumpenkammer 43 zu leiten. Der in Endplatte 45 geformte Kanal 49 fluchtet mit dem Einlaßkanal 40 von Adapterblock 35. Die Pumpenkomponenten 42, 44 und 45 werden in aufeinandergestapelter Weise montiert und mit Schrauben 51 an Adapterblock 35 geschraubt. Eine Stopfbüchse wird durch Bauteil 52, das an Endplatte 44 geschraubt ist, und Bauteil 53, das an Bauteil 52 befestigt ist, mit einer sich zwischen diesen befindlichen Stopfbüchsenmuffe bereitgestellt. Die Schneckeneinrichtung und die Zahnradpumpeneinrichtung kann als Einheit zum Einsatz in die Bohrungen 26 und 28 von Körper 11 vorab montiert sein und mit Schrauben 39 daran befestigt werden. Die an Körper 11 geschraubte Staubkappe 54 schließt das freie Ende von Bohrung 28.
Obwohl Zahnradpumpen bevorzugt sind, kann jede Verdrängerrotationspumpe verwendet werden. Diese Pumpen fördern in einer kontrollierten Ausstoßrate proportional zur Rotation.

Filtereinrichtung und Sicherheitsventileinrichtung (Figuren 2 und 3)

Das erfindungsgemäße Polymertransfersystem schließt vorzugsweise eine Filtereinrichtung 56 und eine Sicherheitsventileinrichtung 57 in Körper 11 ein. Die Filtereinrichtung 56 paßt in einen in Körper 11 geformten Hohlraum 58. Der Körperkanal 59 erstreckt sich von der Zahnradpumpenseite von Körper 11 und leitet Polymer von Adapterkanal 40 zu Hohlraum 58. Der freie Einlaß von Hohlraum 58 ist mit einem Gewinde 60 versehen, das mit dem Gewinde der Filtereinrichtung wie unten beschrieben in Eingriff ist.
Die Filtereinrichtung 56 ist eine vorab montierte Einheit, die ein Filterrohr 61, Endteil 62 und Gewindeendteil 63 umfaßt. Der Filter 61 wird durch einen Stab 64 in Position gehalten, der über ein Gewinde bei 69 an Bauteil 63 befestigt ist, und sich durch die Mitte von Filterrohr 61 durch Endteil 62 erstreckt und durch Mutter 65 an seinem Ort gehalten wird. In Endteil 62 geformte Öffnungen 66 dienen dazu, Polymerschmelze in das Innere von Filter 61 zu leiten. In geeigneten Nuten, die in den Bauteilen 62 und 63 geformt sind, angeordnete O-Ringe 67 und 68 sorgen für eine Flüssigkeitsdichtung zwischen diesen. Die Filtereinrichtung 56 ist in Hohlraum 58 einsetzbar und wird durch ineinandergreifende Gewinde bei 60 in Körper 11 geschraubt. Der in Endteil 63 gebildete freiliegende Sechskant 70 erleichtert die Entfernung und das Einsetzen der Filtereinheit 56 zum Reinigen und Filteraustausch. Das Filterrohr 61 kann aus jedem porösen Material von geeigneter Durchlässigkeit sein, das bei der Betriebstemperatur verwendbar ist. Gesinterte Metalle sind besonders geeignete Filtermaterialien. Gesinterter Stahl kann beispielsweise bei extrem hohen Temperaturen verwendet werden.
Der in Körper 11 gebildete Durchflußkanal 71 erstreckt sich von Hohlraum 58 nach außen und sein Einlaß liegt zwischen den Endteilen 62 und 63. Kanal 71 ist durch Adapter 73 mit Auslaßrohr 72 verbunden. Rohrleitung 72 führt zu Extrusionsdüse 23. O-Ring 74 sorgt für eine Flüssigkeitsdichtung zwischen Adapter 73 und Körper 11.
Der in Körper 11 geformte Umgehungskanal 76 führt zu der Sicherheitsventileinrichtung 57. Diese Einrichtung umfaßt eine rohrförmige Patrone 77, die bei 78 an Körper 11 geschraubt ist, und eine in der Patrone 77 montierte Kugel-und-Feder-Druckkolbeneinrichtung. Patrone 77 hat eine Einlaßöffnung 79, Auslaßöffnungen 81 und einen Sechskant 82. Die Druckkolbeneinrichtung umfaßt Kugel 83, Feder 84 und Druckkolben 85. Der Druckkolben 85 paßt enganliegend in die Patrone 77, ist mit O-Ring 86 versehen und über ein Gewinde bei 87 an der Patrone befestigt. Die Kugel schließt durch die darauf ausgeübte Federkraft normalerweise Öffnung 79. Der Sechskant 88 gestattet die Einstellung der durch Feder 84 ausgeübten Kraft zwischen dem Ende des Druckkolbens 85 und Kugel 83. Die Rotation in eine Richtung erhöht die Federkraft auf die Kugel 83 und die Rotation in Gegenrichtung verringert die Federkraft, wodurch die Steuerung des Loslaßdrucks ermöglicht wird. Die Feder kann in Form von gestapelten Belville-Unterlegscheiben sein.
Ein in Körper 11 geformter Rücklaufkanal 89 (am besten ersichtlich in Figur 2) erstreckt sich von der Auslaßöffnung 81 zu dem Schneckeneinlaß 13, wie unten detaillierter beschrieben wird. Der Adapter 73 hat eine darin geformte Aussparung zur Aufnahme des Sechskants 82 der Patrone und eine Öffnung, um den Einstell-Sechskant 88 von Druckkolben 85 freizulassen. Der Adapter 73 wird durch Schrauben 91 an dem Körper 11 befestigt.
Es wird von Fachleuten anerkannt, daß die Grenzflächen zwischen gegeneinander liegenden Metalloberflächen mit Dichtungen versehen oder geschlichtet werden können, um Metall-an-Metall- Dichtungen zu schaffen.

Die Trichtereinrichtung (Figuren 2, 3, 6 und 7)

Der Trichter 12 ist an der oberen Oberfläche von Körper 11 befestigt und umfaßt Grundplatte 95, vordere und hintere Platten 96 und Seitenplatten 97. Die Platten 96, 97 und Grundplatte 95 können aus Stahl gefertigt und in dem in Figur 6 gezeigten Aufbau aneinander geschweißt werden, wobei die Platten 96 und 97 und die Grundplatte 95 ein Harzvorratsgefäß 101 definieren. Die Grundplatte soll etwas stabiler sein und sich um die Peripherie des Quadrats oder Rechtecks hinaus erstrecken, das durch die unteren Kanten der Platten 96, 97 definiert ist. Die Grundplatte 95 mit den daran befestigten Platten 96, 97 ist durch Schrauben 98 an Körper 11 geschraubt. Es ist eine Dichtung 99 zwischen der Trichtergrundplatte 95 und Körper 11 vorgesehen.
Die Grundplatte 95 hat einen darin geformten Schlitz 100 (am besten in Figur 1 zu sehen), der sich von vorn nach hinten erstreckt und von den Seitenplatten 97 den gleichen Abstand hat. In den Trichter 12 montiert und neben Schlitz 100 sind Heiz- und Kühlkörpereinrichtungen 102 und 103, die im wesentlichen identisch sind. Jede Einrichtung 102, 103 umfaßt einen festen Stahlkeil 104, Heizelemente 105, die sich in Längsrichtung hindurch erstrecken und Heizrippen 106, die sich in dem Vorratsgefäß 101 von der sich verjüngenden Keiloberfläche nach oben erstrecken. In dem Keil 104 befindet sich eine Bohrung zur Aufnahme des einschiebbaren Heizelements 105. Der Keil ist an Platte 47 und der Grundplatte 95 festgeschweißt. Jeder Keil 104 verjüngt sich abwärts in Richtung auf Schlitz 100 und definiert in Kombination mit dem anderen Keil einen Trichter, um Polymer in Schlitz 100 einzuspeisen (siehe Figur 2). Die Verjüngung soll ausreichend sein, um Totraum zu vermeiden; Verjüngungen in der Größenordnung von 20 bis 40 (einschließlich horizontal) sind für die meisten Anwendungen befriedigend.
Die Rippen 106 erstrecken sich vertikal von der sich verjüngenden Oberfläche des Keils 104 nach oben und sind an den Keil geschraubt, wie in Figur 7 illustriert ist. Die Schrauben 108 erstrecken sich durch Löcher 110 in dem Keil 104 schräg nach oben und sind über ein Gewinde mit der Rippengrundfläche 109 verbunden.
Wie in Figur 6 gezeigt ist die Rippenstruktur, die Grundfläche 109 und Rippen 106 umfaßt, mit ihrem entsprechenden Keil über zwei längliche Stellen verschraubt, die von Löchern 110 angezeigt werden. Die Rippen 106 sind aus in hohem Maße wärmeleitendem Material hergestellt, vorzugsweise aus extrudiertem Aluminium. Weitere brauchbare wärmeleitende Materialien schließen Kupfer, Messing und dergleichen ein. Die Rippen sind in Längsrichtung innerhalb von 2 inch beabstandet, vorzugsweise innerhalb von 1 1/2 inch, am meisten bevorzugt innerhalb von 1 inch Abstand. Die Rippen 106 können sich über die volle Breite des Vorratsgefäßes 101 erstrecken, können aber auch in Reihe mit Schlitz 100 enden. Die Rippen 106 erstrecken sich von dem Keil 104 in dem Trichter über eine Distanz von mindestens 1 bis 6 inch und vorzugsweise 3 bis 5 inch nach oben. Die Rippen 106 sollen vorzugsweise dünn, in der Größenordnung von 1/8 bis 1/4 inch, sein und eine kombinierte Querschnittfläche (gemessen entlang einer horizontalen Ebene) von nicht mehr als 20 %, vorzugsweise nicht mehr als 15 % der horizontalen Querschnittfläche des Vorratsgefäßes 101 haben.
Jede Heiz- und jede Kühlkörpereinrichtung 102, 103 kann in dem Trichter 12 voran montiert sein, und die Heizelemente 105 können durch geeignete Löcher eingesetzt werden, die in der Frontplatte 96 gebildet sind. Die Heizelemente können in Form von Widerstandelektroden sein und können durch Stromleitungen 113 mit einer geeigneten Energiequelle verbunden sein.
In einigen Ausgestaltungen mag es wünschenswert sein, zur Unterstützung der Erhitzens des Harzes Stromleitungen in die Rippen 106 einzusetzen.
In bezug auf Figur 2 weist ein oberer Abschnitt von Körper 11 einen darin gebildeten länglichen, sich abwärts verjüngenden Schlitz 111 auf. Der Schlitz 111 fluchtet mit Schlitz 100 und speist Polymer von Vorratsgefäß 101 in die Schneckenkammer 27 ein. Umgehungskanal 89 entleert sich in Schlitz 111, wie in Figur 2 gezeigt.
Der Körper 11 ist mit Heizelementen 112 versehen, die auch Widerstandselektroden sein können, die mit einer geeigneten Stromquelle verbunden sind (z. B. 230 oder 440 V, Einphasen- oder Dreiphasen-Wechselspannung).
Alternativ können Trichter 12 und Körper 11 mit heißem Thermalöl beheizt werden, das durch Kanäle zirkuliert wird, die allgemein an dem Ort oder den Elektroden gebildet sind, die in den Zeichnungen illustriert sind.
Die Heizeinrichtungen sind in Körper 11 so angeordnet, daß sie Kammer 27 und Kanäle 59, Filtereinrichtung 56 und Sicherheitsventileinrichtung 57 heizen. In der in Figur 2 illustrierten Ausgestaltung sind vier Elemente 112 vorgesehen.
Ein Vorteil des Vorheizens der Harzes in dem Vorratsgefäß 101 zusätzlich zu dem Schmelzen des Harzes ist, daß die erzeugte Wärme die Harzteilchen in dem oberen Bereich des Vorratsgefäßes trocknet. Dies vermeidet die Klebrigkeit der Teilchen, die Brükkenbildung und Agglomerierung verursacht.

Extrusionsdüse

Der Begriff Extrusionsdüse schließt Schmelzblasdüsen, Spinndüsen, Folienblas- und Foliendüsen, Sprühköpfe und Öffnungen für Formen und dergleichen ein. Anders gesagt kann das Polymerschmelzsystem 10 in jedem Verfahren verwendet werden, das aus einer Polymerschmelze thermoplastische Polymermaterialien aufbringt, bildet, gestaltet oder formt.
Obwohl das erfindungsgemäße Polymertransfersystem in einer Vielzahl von Anwendungen wie oben gesagt verwendet werden kann, ist es in Figur 1 im Zusammenhang mit Schmelzblasdüse 23 dargestellt. Die Schmelzblasdüse 23 ist eine komplexe Struktur, die schematisch in Figur 1 illustriert ist und dort einen Körper 115, Düsenspitze 116, Polymerfließkanal 117, mehrere nebeneinander liegende Düsenöffnungen 118, die in der Düsenspitze 116 gebildet sind, und Luftmesser 119 einschließt. Die Luftmesser 119 in Kombination mit der konisch zulauf enden Düsenspitze 116 definieren Luftkanäle 126. Durch Kanäle 120 zu der Düse geförderte Heißluft bringt Luftströme zu jeder Seite der Polymerfasern, die durch Öffnungen 118 extrudiert werden. Die Fasern 121 werden durch die Luft verkleinert und gestreckt und bilden Fasern in Mikrogröße (1 bis 15 um), die auf einer geeigneten Trommel oder einem Förderer aufgefangen werden. Die Schmelzblasdüse 23 kann gemäß US-A-3 978 185 oder US-A-4 818 463 gebaut sein, auf deren Offenbarungen hier bezug genommen wird.
Figur 1. Die Grundfläche 122 ist mit Gleitrollen 124 ausgestattet, die die gesamte Einrichtung bewegbar machen. Temperatur- und Drucksteuerungen können verwendet werden, um die Temperatur von dem Trichter, dem Körper und die Arbeitsgeschwindigkeit von Schnecke und Zahnradpumpe zu steuern.
Es wird allerdings von Fachleuten anerkannt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung im Zusammenhang mit einem Spinnsystem verwendet werden kann, um Fasern im Größenbereich von typischerweise 10 bis 100 um zu ergeben. Harze für Spinnverfahren können die gleichen sein wie oben angegeben, haben aber allgemein einen niedrigeren Schmelzflußbereich.

Betrieb

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung ist der koordinierte Betrieb zwischen der Schneckeneinrichtung 14 und der Zahnradpumpe 16. Die Schnecke ist so konstruiert, daß sie geschmolzenes Polymer mit einem Druck abgibt, um es mit positivem Druck in die Zahnradpumpe 16 einzuspeisen. Es ist bevorzugt, daß die Schnecke eine Förderkapazität hat, die mindestens 10 % über der Ausstoßrate der Zahnradpumpe liegt. Der Zahnradpumpenausstoß und der Schneckenausstoß sind proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit von Welle 17. So erhöht eine Erhöhung der Umdrehungszahl von Welle 17 den Ausstoß von beiden. Sie sind so bemessen, um für eine koordinierte Wirkung der Schnecke zu sorgen, so daß eine Zwangseinspeisung der Zahnradpumpoe mit Drücken von weniger als etwa 3,4 MPa (500 psi) und vorzugsweise weniger als etwa 1,4 MPa (200 psi) erfolgt.
Die Heizelemente in dem Trichter 12 sind so konstruiert, daß sie eine Harztemperatur von bis zu etwa 510ºC (950ºF) und vorzugsweise bis zu etwa 370ºF (700ºF) erzeugen. Die in den festen Stahlkeilen in 104 erzeugte Wärme wird zu den Rippen 106 geleitet, wodurch das Harz vorgeheizt wird und eine Harzschmelze in einer Höhe im Trichter 12 erzeugt wird, die mindestens gleich der Höhe der Keile 104 ist. Das geschmolzene Harz wird durch Schlitze 100 und 111 geführt und tritt in Schneckenkammer 27 ein, wo es durch Kanäle 38 zu Zahnradpumpe 16 befördert wird. Die Schmelze wird mit einem Druck im Bereich von etwa 700 kPa bis 70 MPa (100 bis 10 000 psi), allgemein etwa 700 kPa bis 14 MPa (100 bis 2 000 psi), durch Kanäle 40 und 59 und durch Filtereinrichtung 56 gepumpt.
Der tatsächliche Druck hängt von der Anwendung ab, wobei die folgenden Bereiche repräsentativ sind: ungefähr psi Schmeizblasen von Vliesstoffen (Non-Wovens) Schmeizblasen von Beschichtungen und Klebstoffen Spinnen Formgebung Hochtemperaturen Niedrigtemperaturen
Die Bemessung der Zahnradpumpe ist so, daß sie in einer Ausstoßrate bis zu etwa 1150 kg (2500 lb) pro Stunde, vorzugsweise zwischen etwa 45 kg und 1150 kg (100 und 2500 lb) pro Stunde fördert. Die Schmelze fließt durch Kanäle 66 zum Inneren von Filter 61 radial nach außen durch den Filter 61, durch Kanal 71 und schließlich über Rohr 72 zu der Düse 23. Wenn der Druck den kontrollierten Förderdruck überschreitet, wird das Sicherheitsventil 57 betätigt, wodurch der Druck durch Kanal 76, Öffnungen 79, 81 und Kanal 89 entlastet wird und die Schmelze in Schnekkeneinlaßschlitz 111 zurückgegeben wird. Eine alternative Betriebsweise ist, Ventil 57 als Druckregelungsventil zu verwenden, wodurch Polymer mit einem Kontrolldruck konstant hindurchzirkuliert wird.
Wichtige Merkmale der vorliegenden Erfindung sind (a) das Vorheizen des Harzes in dem Trichter durch die hier beschriebene Vorrichtung, (b) die Schnecke mit hohem Spiel, die die Scherung des Harzes vermeidet, (c) die koordinierte Wirkung der Schnecke 14 und der Zahnradpumpe 16, die von der gleichen Welle 17 angetrieben werden (dies bedeutet, daß nur eine Antriebsmaschine für die Einrichtung erforderlich ist), (d) die Filtereinrichtung und (e) die Umgehungs- (Sicherheits)einrichtung.
Ein wahlweises Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, eine Temperatursonde und/oder einen Druckmeßwandler 125 einzufügen, der in Kanal 71 installiert werden kann, wie in Figur 3 illustriert.

Claims

1. System zum Transfer einer Polymerschmelze zu einer Extrusionsdüse (23) mit einem Körper (11), der mit einer Schnekkenkammer (27) und darin gebildeten Kammereinlaß- (100) und -auslaßkanal (38) versehen ist, einem auf dem Körper (11) montierten Harztrichter (12) zum Einspeisen von Harz in den Schneckeneinlaßkanal (100), Einrichtungen (105) zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter, Einrichtungen (112) zum Erwärmen des Körpers (11) und Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter (12), wodurch Harz als Schmelze in den Schneckenkammereinlaßkanal eintritt, einer Schnecke (14), die in der Schneckenkammer (27) montiert ist, einer mit dem Körper (11) verbundenen Verdrängerrotationspumpe (16), die zur Aufnahme der Polymerschmelze aus dem Schnekkenauslaßkanal (38) vorgesehen ist, einem Pumpenentleerungskanal (59, 58, 71) zum Leiten von unter Druck stehender Polymerschmelze aus der Pumpe (16), wobei die Einrichtungen (112) zum Erwärmen des Körpers (11) so eingerichtet sind, daß sie den Körper (11) mindestens in den die Schnekkenkammer (27) umgebenden Bereichen erwärmen, Rohrleitungen (72), die den Pumpenentleerungskanal (71) mit der Extrusionsdüse (23) verbinden, einer Antriebswelle (17), die so angeschlossen ist, daß sie die Rotationspumpe (16) und die Schnecke (14) antreibt, wobei die Rotation der Welle (17) die Schnecke (14) und die Rotationspumpe (16) zeitlich abgestimmt antreibt, um zu veranlassen, daß die Schmelze von dem Trichter (12) durch die Schneckenkammer (27), durch die Rotationspumpe (16) und durch den Pumpenentleerungskanal (59, 58, 71) zu der Extrusionsdüse (23) fließt, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Einrichtungen zum Vorheizen des Harzes in dem Trichter (12) eine wärmeleitende Grundfläche (104), die am Boden des Trichters (12) montiert ist, und mehrere wärmeleitende Rippen (106) einschließen, die sich von der Grundfläche (104) nach oben erstrecken, um Wärme von ihr abzuleiten,

(b) der Außendurchmesser der Schnecke (14) mindestens 10 % geringer als der Durchmesser der Schneckenkammer ist, und

(c) der Pumpenentleerungskanal (59, 58, 71) sich durch den Körper (11) neben der Schnecke (14) erstreckt, wodurch die Einrichtungen (112) zum Erwärmen des Körpers dem Polymer in dem Pumpenentleerungskanal (59, 58, 71) Wärme zuführen.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der Pumpenentleerungskanal (59, 58, 71) ein Drucksicherheitsventil (57) und einen Umgehungskanal (89) einschließt, der sich von dem Sicherheitsventil zu dem Einlaßkanal (100) der Schneckenkammer (27) erstreckt.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 3, bei dem die Grundfläche (104) in Form von länglichen Keilen (104) und der Schneckeneinlaßkanal in Form eines Schlitzes (100) vorliegt, der sich parallel zu der Schneckenkammer (27) erstreckt und diese überdeckt, wobei sich die Keile parallel zu der Schneckenkammer (27) erstrecken und auf gegenüberliegenden Seiten des Schlitzes (100) montiert sind und sich nach innen und unten zu dem Schlitz (100) verjüngen, um Polymer abwärts zwischen den Keilen (104) in den Schlitz (100) zu führen.

4. System nach Anspruch 3, bei dem die Rippen (106) aus Aluminium sind, zueinander parallel sind und rechtwinklig zu dem Schlitz (100) angeordnet sind.

5. System nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, bei dem sich die Rippen von der sich verjüngenden Oberfläche der Keile vertikal nach oben erstrecken.

6. Verfahren zum Transfer einer Polymerschmelze zu einer Extrusionsdüse, bei dem ein Polymerharz in ein System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 durch dessen Harztrichter (12) eingespeist wird, das Harz auf eine ausreichende Temperatur vorgeheizt wird, um eine Schmelze zu bilden, die Schmelze zu der Schnecke fließen gelassen wird, die Schmelze durch Rotation der Schnecke (14) zu der Pumpe (16) befördert wird, während der Schmelze Wärme zugeführt wird, die Schmelze zu der Düse (23) gepumpt wird, während der Schmelze Wärme zugeführt wird, und die Schmelze durch die Düse (23) geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Düse eine Schmelz blasdüse ist, die einen Satz nebeneinanderliegender Düsenspalte umfaßt, die gegebenenfalls von Luftkanälen flankiert sind.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem das Polymerharz ein Polyolefinharz oder ein Klebstoff ist.