DE69104613T2

DE69104613T2 - Neues in-line-rheometer für polymerschmelzen.

Info

Publication number: DE69104613T2
Application number: DE69104613T
Authority: DE
Inventors: Safwat Tadros
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1990-06-27
Filing date: 1991-02-26
Publication date: 1995-05-04
Anticipated expiration: 2011-02-27
Also published as: DE69104613D1; ES2064097T3; CA2045707A1; EP0536140A1; AR243022A1; AU7540091A; US5078007A; EP0536140B1; AU643640B2; MX166950B; JPH05506926A; KR930701736A; KR960016167B1; WO1992000512A1; BR9106584A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neuartiges In- line-Schmelzenrheometer, das reproduzierbare und genaue Messungen der Polymerisatrheologie, insbesondere der scheinbaren Polymerisatviskosität bei praktischen Schergefällewerten ausführen kann.
Die Kenntnis der Polymerisatrheologie ist zur wirksamen Auslegung und Überwachung von Polymerisatschmelze-Verarbeitungsvorgängen sehr wichtig. Die Viskosität der Polymerisatschmelze beeinflußt deren Fließgeschwindigkeit und auch deren Fähigkeit Gießformen zu füllen. Da die Polymerisatrheologie von verschiedenen Faktoren, einschließlich des Molekulargewichts des Polymerisats, der Schmelzenmorphologie und der physikalischen Struktur, abhängt, eignet sie sich zur Überwachung von miöglichen Änderungen des Molekulargewichts, Änderungen der Schmelzelastizität und Änderungen der Morphologie des Polymerisats während der Schmelzenverarbeitung, so daß die Verarbeitungsbedingungen entsprechend eingestellt werden können.
Während die Bedeutung von genauen Rheologiemessungen während der Schmelzenverarbeitung stets anerkannt wurde, und einige Geräte zur Bestimmung der Polymerisatschmelzviskositüt zur Verfügung standen, inbesondere bei der Probenahme von Seitenströmen, gab es bisher kein praktisches Verfahren oder schnell ansprechendes Gerät zur Bestimmung der In-line-Schmelzviskosität von Polymerisaten, insbesondere von gefüllten, zum Beispiel faserverstärkten Polymerisaten, und von anderen hochviskosen Polymerisatzusammensetzungen über einem weiten Bereich von Schergefällwerten, insbesondere bei hohen Schergefällwerten. Normalerweise mußte eine Probe aus dem Schmelzenverar beitungsgerät, zum Beispiel einem Extruder, entnommen und in einem Schmelzindexer-Prüfer oder einem anderen geeigneten Apparat getestet werden. Dies war normalerweise ein langwieriger Vorgang, so daß stets eine zeitliche Nacheilung zwischen der Polymerisatprobenahme und der Schmelzviskositätsbestimmung bestand. Dies hatte natürlich den Nachteil, die Einstellung der Schmelzverarbeitungsbedingungen unmöglich zu machen, sobald eine Abweichung vom gewünschten gegebenen Standard auftrat. Das für die Seitenstrom-Rheologiemessungen verwendete Gerät zeigte ein langsames Ansprechen von ungefähr 10 Minuten oder mehr und konnte daher für eine genaue Verfahrenssteuerung keine schnelle Rückmeldung vorsehen. Außerdem maß ein solches Gerät nicht die Eigenschaften eines wirklich repräsentativen Verfahrensablaufs.
US-A-3 111 838 offenbart einen Viskositätssensor und ein Verfahren zur Bestimmung der Schmelzrheologie von Polymerisaten während ihrer Verarbeitung. Dieser Viskositätssensor enthält ein Rotorelement, das innerhalb eines Gehäuses so gelagert wird, daß dazwischen ein kleiner Zwischenraum besteht. Die Achse des Rotors ist gegenüber der Achse des Gehäuses so versetzt, daß der Zwischenraum keilförmig ist. Der Drucksensor ist in der Gehäusewand angeordnet. Der Rotor hat eine kegelstumpfförmige Fläche und wirkt als Pumpe. Zwei Drucksensoren befinden sich bezüglich der Längsachse der Kammer an diametral gegenüberliegenden Stellen und senkrecht zu einem die Exzentrizität enthaltenden waagerechten Durchmesser. Daher wird die Viskosität auf der Basis der Differenz der Druckwerte bestimmt, die von den beiden Drucksensoren gemessen werden. Diese Viskositätsmessung ist für Newtonsche Flüssigkeiten zufriedenstellend.
US-A-3 350 922 offenbart einen Maschinenviskositätssimulator, bei dem ein Rotor mit zwei diametral gegenüberliegenden Abflachungen innerhalb einer eng passenden Hülse durch einen Universalmotor von der Bauart gedreht wird, bei der das Drehmoment bei konstanter Spannung mit der Drehzahl variiert. Die Drehzahlablesung wird als Maß der Maschinenviskosität verwendet. Während dieser Maschinenviskositätssimulator sich für nicht-Newtonsche- Flüssigkeiten eignet, kann er lediglich relative Viskositätsmessungen liefern, die die Motordrehzahl als Maß der Viskosität verwenden.
Die in den Patentansprüchen 1 und 9 beanspsruchte Erfindung löst das Problem der Bestimmung der Schmelzrheologie von Polymerisaten während ihrer Schmelzverarbeitung schnell und genau selbst für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.1a ist eine Zeichnung von zwei sich gegeneinander bewegenden, geneigten Flächen und zeigt gewählte Geschwindigkeitsprofile einer viskosen Flüssigkeit, die in den sich verengenden Raum zwischen diesen Flächen gezogen wird, während Fig. 1b ein Diagramm der Verteilung der durch diese Bewegung erzeugten Drücke ist;
Fig.2a bis 2c zeigen eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo ein Einkeilnocken auf der Welle eines Einschneckenextruders montiert ist. Fig. 2a ist ein Längsschnitt. Fig. 2b ist ein Querschnitt. Fig. 2c ist eine schematische Zeichnung eines weiteren Einkeilnockens innerhalb eines Extruderzylinders, wobei weitere Konstruktionsdetails weggelassen sind;
Fig.3 zeigt einen Längsschnitt einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo ein Nocken mit unterschiedlicher Auslegung am Ende der Welle eines Einschneckenextruders angeordnet ist;
Fig.4 zeigt einen Querschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo zwei Einkeilnocken auf den Wellen von zwei gleich schnell rotierenden Schnecken eines Doppelschneckenextruders montiert sind;
Fig.5 ist eine schematische Zeichnung eines innerhalb eines Extruderzylinders montierten Zweikeilnockens;
Fig.6a bis 6c zeigen eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wo ein Nocken mit stationärem Keil einen Teil der Innenwand eines Extruderzylinders bildet. Fig. 6a ist ein Querschnitt einer Einnockenanordnung. Fig. 6b ist ein Querschnitt einer Doppelnockenanordnung in einem Doppelschneckenextruder. Fig. 6c ist ein Längsschnitt durch einen einzelnen Zylinder;
Fig.7 ist ein mit einem Apparat gemäß Fig. 4 erhaltenes Diagramm des Drucks über der Zeit;
Fig.8 ist ein mit einem Apparat gemäß Fig. 5 erhaltenes Diagramm des Drucks über der Zeit;
Fig.9 ist ein funktionelles Blockdiagram einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung;
Fig.10 ist ein Fließdiagramm des Mikroprozessorbetriebs der Ausführungsform von Fig. 9.

Detailbeschreibung der Erfindung

Theorie der Erfindung

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung arbeitet auf dem Prinzip der wohlbekannten Reynoldsschen hydrodynamischen Theorie der Schmierung, die nun auf diese Anwendung einer Polymerisatschmelze ausgedehnt wurde. Die Einzelheiten dieser Theorie werden in vielen Lehrbüchern für Flüssigkeitsmechanik und Schmiertechnik besprochen. Anhand von Fig. 1a werden zwei Flächen S&sub1; und S&sub2; betrachtet, die eine relative Geschwindigkeit U haben, gegeneinander leicht geneigt sind und durch einen kleinen abnehmenden Abstand h getrennt sind. Diese beiden Flächen bilden einen keilförmigen Raum, der im folgenden manchmal als Zwischenraum bezeichnet ist. Zum Zweck der vorliegenden Erläuterung sei ferner angenommen, daß feststeht, während sich S&sub2; von links nach rechts bewegt, wie durch den Pfeil unterhalb der Abszisse gezeigt, und daß diese Flächen in eine viskose Flüssigkeit eingetaucht sind. Wenn sich die Fläche S&sub2; bewegt, nimmt sie die Flüssigkeit mit, die in den Zwischenraum verkeilt wird, wobei sich innerhalb der Flüssigkeit ein hoher Druck entwickelt.
VP1, VP2 und VP3 sind repräsentative Geschwindigkeitsprafile über der Länge (L) des Zwischenraums, die auf der x-Achse aufgetragen ist. VP1 ist das Profil am Beginn des Zwischenraums (größte Öffnung). VP3 ist das Profil am Ende des Zwischenraums (kleinste Öffnung). VP2 ist das Profil am Ort des maximalen Flüssigkeitsdrucks. Die waagrechten Pfeile innerhalb der Kurven bezeichnen die Größe der Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der x-Richtung (u) als Funktion der Öffnung des Zwischenraums, die auf der y-Achse aufgetragen ist. Die Bedeutung aller Bezugszeichen in dieser Zeichnung ist im folgenden angegeben.
Fig. 1b ist ein Diagramm der Druckänderung ΔP der in den Zwischenraum verkeilten Flüssigkeit über einem Bruchteil der Länge des Zwischenraums. Dieses Diagramm und auch andere Druckdiagramme der Flüssigkeit über einer weiteren variablen, insbesondere der Zeit, werden im folgenden manchmal als Druckprofile bezeichnet.
Zur Erleichterung des Verständnisses der folgenden Diskussion der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Theorie und auch der Erläuterung des Betriebs der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist eine Erläuterung der verschiedenen Abkürzungen erwünscht, die in der vorliegenden Beschreibung verwendet werden. Es sind dies:
h = veränderlicher Abstand zwischen zwei sich gegeneinander bewegenden, geneigten Flächen S&sub1; und S&sub2;;
h&sub1; = maximaler Abstand zwischen den Flächen S&sub1; und und S&sub2;;
h&sub2; = minimaler Abstand zwischen den Flächen S&sub1; und S&sub2;;
P = Druck, der in einer Flüssigkeitsströmung zwischen S&sub1; und S&sub2; entwickelt wird;
Pm = maximaler Druck, der in einer zwischen S&sub1; und S&sub2; strömenden Flüssigkeit entwickelt wird;
hm = Abstand zwischen den Flächen S&sub1; und S&sub2; an der Stelle, wo sich der maximale Druck Pm entwickelt (dP/dx = 0);
P&sub0; = Druck der Flüssigkeit außerhalb des Zwischen raums;
x und y = Kartesische Koordinaten, nämlich x in Richtung der Bewegung der Fläche S&sub2; und y senkrecht zu x;
Xm = Position von Pm längs der x-Achse;
U = Flüssigkeitsgeschwindigkeit in der x-Richtung;
L = Länge des Zwischenraums;
W = Breite des Zwischenraums (in Fig. 1 nicht gezeigt);
N Drehzahl in U/min;
η = Viskosität in Pa sec;
γ = Schergefälle in reziproken Sekunden;
γav = durchschnittliches oder scheinbares Schergefälle in reziproken Sekunden;
τ = örtliche Scherbeanspruchung in MPa.
Zum Zweck der vorliegenden Erfindung werden die folgenden Annehmungen gemacht:
Die Kräfteverteilung längs der x- und y-Achsen ist zweidimensional;
es werden nur viskose Kräfte in Betracht gezogen;
P ist von y unabhängig, was bedeutet, daß Druckänderungen quer zum Zwischenraum außer Betracht bleiben;
die Geschwindigkeitsverteilung ist dieselbe, als wenn die Flächen parallel wären;
das schmelzflüssige Polymerisat genügt den Bedingungen einer stetigen laminaren Strömung für Newtonsche Flüssigkeiten;
die Flüssigkeit ist inkompressibel, hat konstante Viskosität und befindet sich auf konstanter Temperatur.
Weil schmelzflüssige Polymerisate nicht-Newtonsche- Flüssigkeiten sind, ist die Annahme falsch, daß sich schmelzflüssige Polymerisate, wie eine Newtonsche Flüssigkeit verhalten. Jedoch vereinfacht diese Annahme die Berechnungen und führt ferner keinen bedeutenden Fehler in das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein, da diese Abweichung von der angenommenen Beschaffenheit nur die Berechnungskonstante beeinflußt, die sich mit der Eichung ändert.
Die Polymerisatschmelze in der Schmelzenverarbeitungsvorrichtung enthält keine Gase oder Blasen, die den Druck beeinflussen können, und verhält sich wie eine inkompressible Flüssigkeit. Unter den Bedingungen der vorliegenden Erfindung ändert sich ihre Viskosität nicht, wenn sich die örtliche Temperatur ändert, da das Rheometer der vorliegenden Erfindung Durchschnittswerte bestimmt und Temperaturänderungen sehr schnell sind.
Die grundlegenden wesentlichen Gleichungen der Kontinuität und Bewegung für strömende Flüssigkeiten sind bekannt, vergleiche zum Beispiel "Boundary Layer Theory" (Grenzschichttheorie), H. Schlichting, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 6. Auflage, 1968, Seiten 44-64 und 104-114. Die Lösung dieser Gleichungen kann wie folgt geschrieben werden:
P(x) = P0 + 6ηU x(L-x) (h&sub1;-h&sub2;)/Lh² (h&sub1;+h&sub2;) (1)
Die Gleichung (1) gibt das Druckprofil längs der x-Achse an, wie in Fig. 1b gezeigt.
u(x,y) = 1/2η = dp/dx (y²-hy) + U(1/y/h) (2)
Die Gleichung (2) gibt die Geschwindigkeitsprofile als Funktion des orts der Flüssigkeit (x und y) im Zwischenraum an, wie in Fig. 1a gezeigt.
Daher ist
dP/dx = 6ηU h-hm/h³ (4)
worin h = h&sub1; - x/L (h&sub1;-h&sub2;) (5)
und hm = 2h&sub1;h&sub2;/h&sub1;+h&sub2; bei xm = h&sub1;L/h&sub1;+h&sub2; (6)
Die maximale ordinate der Druckverteilung liegt rechts von der bitte des keilförmigen Zwischenraums, wobei ihr Wert geschätzt werden kann zu:
ΔPm = Pm-P&sub0; = 3L(h&sub1;-h&sub2;)/2h&sub1;h&sub2;(h&sub1;+h&sub2;) ηU (7)
Für eine bestimmte Keilgeomertrie kann man schreiben:
η = C ΔPm/U, (8)
worin C eine Konstante ist.
Bei maximalem Druck ist dP/dx = 0.
Wie in Fig. 1a gezeigt und wie aus Gleichung (2) folgt, ist das Geschwindigkeitsprofil am Ort xm des maximalen Drucks linear und ist das Schergefälle aus Gleichung (3) konstant. Daher ist das Schergefälle γ an diesem lokalen Punkt
γ = U/hm (9)
oder im Fall einer rotierenden Fläche und einer stationären Fläche
γ = konst.N/hm , (9a)
worin N die Drehzahl der rotierenden Fläche ist, wobei die örtliche Scherspannung T den folgenden Wert hat:
τ = ηγ = C ΔPm/hm. (10)
Bei der vorliegenden Beschreibung bedeutet der Ausdruck "scheinbare Schmelzviskosität" einen Viskositätswert, der die Verdünnung des Polymerisats auf Grund von Scherwirkung nicht in Betracht zieht. Jedesmal, wenn nachfolgend in der Beschreibung der Ausdruck "Viskosität" ohne weitere Angabe verwendet wird, soll dies die scheinbare Schmelzviskosität bedeuten.
Es werden nun zwei Lösungswege für die Messung der Rheologie unter Anwendung des obigen Prinzips betrachtet. Der erste Lösungsweg besteht in der Messung des ΔPm aus den Druckprofilen, wie dem in Fig. 1b gezeigten, und in der Änderung von U oder N zur Schätzung der scheinbaren Schmelzviskosität eines Polymerisats bei unterschiedlichen Schergefällen. Anders als bei der Situation in industriellen Geräten, wie Kapillar- oder Schlitzviskosimetern, in denen das Geschwindigkeitsprofil immer eine parabolische Form hat und das Schergefälle nicht konstant ist, ist das Geschwindigkeitsprofil bei der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bei hm linear (VP2 in Fig. 1a), und ist das Schergefälle konstant. Dies gilt insbesondere dann, wenn W/hm> 10, so daß der Effekt von seitlichen Leckverlusten an Flüssigkeit minimal ist, Dieser Lösungsweg eignet sich für einen vollen Verfahrensstrom oder Seitenstrom und für ein Laborrheometer. In diesem Fall würde man die Gleichungen (8) und (10) anwenden. Jedoch würde das Ergebnis mit einem zusätzlichen Korrekturfaktor CF multipliziert werden zur Berücksichtigung der Wirkung von Seitenleckverlusten auf die Polymerisatströmung innerhalb des keilförmigen Zwischenraums, die hauptsächlich eine Funktion des Verhältnisses (W/L) der Zwlschenraumbreite W (in Fig. 1a nicht gezeigt) zur Länge L ist.
Wenn N konstant ist, besteht der zweite Lösungsweg in der Messung der örtlichen P-Werte längs des Zwischenraums aus dem Druckprofil und in der Berechnung der durchschnittlichen (oder scheinbaren) Schergefälle längs des Zwischenraums zur Schätzung der Polymerisatschmelzviskosität bei solchen Schergefällen, siehe die Gleichungen (11) und (12) unten. Dieser Lösungsweg eignet sich besser für die unmittelbare Verfahrensmessung, da U in den meisten Fällen konstant ist.
η = L(h&sub1;+h&sub2;)h²ΔP/6U(h&sub1;-h&sub2;)x(L-x) (11)
γav = U/h (12)
Wenn die Flächen S&sub1; und S&sub2;, somit der sich dazwischen ergebenden Zwischenraum, gekrümmt sind, und die Änderung von h längs der x-Achse nicht linear ist, kann die allgemeine Gleichung für hydrodynamische Filme auf den konvergierenden geometrischen Keil eines Achslagers angewendet werden. Für eine bestimmte geometrische Keilform kann man noch die folgende Gleichung (13) angeben:
η = konst.ΔP/N (13)
Während die obige Theorie einen sehr einfachen Weg für das Studium der Polymerisatschmelzeneigenschaften angibt, muß sie im Hinblick auf das nicht-Newtonsche-Verhalten und auch auf den viskosen Wärmeerzeugungseffekt auf die temperaturabhängige Viskosität abgeändert werden.
Schließlich wird angenommen, daß für rechtwinklige Koordinaten entwickelte Gleichungen auf Daten anwendbar sind, die in zylindrischen Koordinaten erhalten werden, insbesondere wenn die Größe des Geräts zunimmt.

Vorrichtung

Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung kann in jede Art von Gerät eingebaut werden, in dem Polymerisate gefördert, gemischt, extrudiert, gegossen oder sonstwie in der Schmelze verarbeitet werden. Ein solches Gerät umfaßt unter anderen Extruder, Mischer, Zahnradpumpen und Spritzgußausrüstungsteile, insbesondere Angüsse und Formeinläufe.
Die hervorstechendste Art von Schmelzenverarbeitungsgerät, in das eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eingebaut werden kann, ist ein Extruder, der von Einschnecken- oder Doppelschneckenbauart sein kann und eine Vielzahl von Schneckenauslegungen haben kann. Die zweckmäßigste Nockeneinrichtung ist ein rotierendes Glied, das an einer Schneckenwelle angebaut ist, so daß es in der gleichen Richtung und mit der gleichen Drehzahl wie die Schnecke rotiert. Ein keilförmiger Zwischenraum ist zwischen dem Nocken und dem Extruderzylinder gebildet, der als stationäre Druckwandeinrichtung dient. Es ist jedoch möglich, die Konstruktion so umzukehren, daß ein stationärer Nocken an der Innenwand des Extruderzylinders montiert ist, während ein zylindrischer Drehkörper auf der Schneckenwelle montiert ist. Da die Viskosität proportional zum Verhältnis der Druckänderung im Zwischenraum zur Drehzahl ist (ΔP/N), ist es bei dieser alternativen Auslegung wichtig, die Drehzahl der Schnecke genau zu kennen, die durch einen Drehzahlmesser bestimmt wird.
Die bevorzugte Vorrichtung ist in Fig. 2a bis 2c dargestellt, die zwei Querschnitte eines Einschneckenextruders mit einem darin erfindungsgemäß montierten kegelförmigen Nocken zeigen. Fig. 2a ist ein Teil des Längsschnitts, während Fig. 2b ein Querschnitt ist. Diese Zeichnungen zeigen einen Extruderzylinder 101; eine Extruderschnecke 102, einen Körper 103 des Nockens, der einen keilförmigen Teil oder Keil 104 aufweist; wahlweise Nockenschützer 105, die so ausgelegt sind, daß sie die seitlichen Leckverluste an schmelzflüssigem Polymerisat minimieren und somit den Druck des schmelzflüssigen Polymerisats maximieren, der durch die Polymerisatströmung zum kleineren Ende des keilförmigen Zwischenraums bewirkt wird; ein Schmelzenthermoelement TH; und einen schnell ansprechenden Drucksensor TR, zweckmäßig einen Druckgeber. In Fig. 2a ist der Nocken 103 an einer Stelle zwischen dem Ende und dem Beginn der Extruderschnecke 102 an letzterer angebaut. Die Nockenschützer 105 sind Kreissegmente mit demselben radialen Winkel wie der Keil 104 und mit einem Radius zwischen dem Abstand von der Mitte zum höchsten Punkt des Keils und dem inneren Radius des Extruderzylinders, vergleiche Fig. 2b. Die Nockenschützer lassen somit einen kleinen Umfangszwischenraum 106 zwischen ihrem Rand und dem Extruderzylinder frei. Während die hier gezeigten Führungen 105 zusammen mit dem Nocken rotieren, müssen sie dies jedoch nicht. Sie können am Extruderzylinder 101 starr befestigt sein. Stationäre Nockenschützer haben weniger Verschleiß als rotierende Schützer und eignen sich besonders zur Anwendung bei Zahnnradpumpen. Die Pfeile in Fig. 2a zeigen die Richtung des Polymerisatstroms längs des Zylinders. In Fig. 2b zeigt ein Pfeil die Richtung der Nockendrehung. Das längs des Zylinders 101 strömende schmelzflüssige Polymerisat kommt mit dem rotierenden Nocken 103 in Berührung, der das Polymerisat in den keilförmigen Zwischenraum 107 zwischen dem Keil 104 und dem Zylinder 101 zieht. Wenn die Arbeitsfläche oder der Keil 104 des Nockens 103 gemäß Fig. 2b mit dem Druckgeber TR ausgefluchtet ist, fühlt der Geber den örtlichen Druck des schmelzflüssigen Polymerisats an der Wand. Dieser Druck wird durch die Strömung des Polymerisats erzeugt, die durch den Nocken 103 zum kleineren Ende des Zwischenraums 107 bewirkt wird. Der Geber erzeugt dann ein Signal, das zu einer geeigneten Anzeige-, Aufzeichnungs- oder Umwandlungsvorrichtung übertragen wird. Dies kann zum Beispiel ein Voltmeter, ein Oszilloskop, ein Diagrammschreiber oder vorzugsweise ein programmierter Rechner sein. Der Ausgang kann eine für das Druckprofil repräsentative Darstellung oder sonst eine Zahl sein, die dem berechneten Wert der scheinbaren Schmelzviskosität bei der gemessenen Schmelztemperatur und den Arbeitsschergefällen entspricht.
Fig. 2c zeigt schematisch einen innerhalb eines Extruderzylinders montierten Einkeilnocken. Der Nocken 103 ist konzentrisch zur Zylinderwand 101 montiert. Der Keil 104 hat eine untere Seite, die von der Extruderzylinderwand um einen Abstand h&sub1; entfernt ist, und eine obere Seite, die von der Extruderzylinderwand um einen Abstand h2 entfernt ist. Der Keil bildet zwischen seinem äußeren Rand und der Zylinderwand einen Zwischenraum 107. Diese Zeichnung zeigt auch den radialen Winkel α des Keils 104. G sind Montagenuten. Die Pfeile zeigen die Drehrichtung des Nockens, der allerdings auch in der entgegengesetzten Richtung rotieren könnte und auf das Polymerisat eine ähnliche Wirkung ausüben würde. Wenn die Drehung in der entgegengesetzten Richtung erfolgt, wird der durch den Nocken erzeugte Flüssigkeitsdruck ΔP vom durchschnittlichen Verfahrensdruck subtrahiert anstatt dazu addiert zu werden. Dies wäre von Vorteil bei gewissen Hochdruckanwendungen und auch im Fall von stark verunreinigten Verfahrensströmen, um die Druckgeber zu schützen und deren Lebensdauer zu verbessern.
Im einfachsten Fall wird die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zur unmittelbaren oder In-line-Qualitätsüberwachung und -kontrolle der Polymerisatrheologie verwendet. Zu diesem Zweck genügt die Bildung einer typischen Instrumentenausgangssigna lcharakteristik eines Polymerisats mit zufriedenstellender Rheologie, zum Beispiel eines Oszillogramms oder eines Diagrammschriebs, und die Einstellung der Polymerisatproduktionsparameter derart, daß ein Polymerisat erhalten werden kann, das unter denselben Meßbedingungen einen vergleichbaren Instrumentenausgang erzeugt. Ist die Schmelzviskosität des Polymerisats bestimmt, entweder in der Vorrichung der vorliegenden Erfindung oder in einer herkömmlichen Laborvorrichtung, so ist es nicht erforderlich, das durch die Sensoreinrichtung erzeugte Signal in die tatsächliche Schmelzviskosität oder einen anderen Rheologiewert umzuformen, so lange der gegebene Wert, die Abtastung oder das Diagramm widerspruchsfrei erhalten wird.
In vielen anderen Situationen ist es jedoch erwünscht, die genaue Schmelzviskosität oder eine andere rheologische Eigenschaft eines Polymerisats vorherzusagen oder zu berechnen. Hierzu ist es zweckmäßig, das durch die Sensoreinrichtung erzeugte Signal einem programmierten Rechner zuzuleiten, der das Signal in den tatsächlichen numerischen Wert umwandeln kann.
Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt der Ausführungsform, bei der ein Nocken 110 von unterschiedlicher Auslegung am Ende der Extruderschnecke 101 montiert ist. Wie in Fig. 2 ist 101 ein Teil des Extruderzylinders. TH ist ein Schmelzthermoelement. TR ist ein Druckgeber. Der Nocken 110 dieser Ausführungsform hat keinen sich radial von seinem Körper weg erstreckenden keilförmigen Teil, sondern einen in axialer Richtung ausgebildeten keilförmigen Teil 111. Bei dieser Auslegung ist zwischen dem kegelförmigen Teil 111 und der Endwand des Extruderzylinders 113 ein keilförmiger Zwischenraum 112 gebildet.
Fig. 4 ist ein Querschnitt eines Doppelschneckenextruders. Sie zeigt zwei Nocken 124 und 126, die innerhalb Zylinder 120 und 121 an den Wellen von zwei gleich schnell rotierenden Schnecken 122 und 123 montiert sind. Die Nocken haben keilförmige Teile 125 und 127 und rotieren in der durch Pfeile gezeigten Richtung. Druckgeber TR1 und TR2 fühlen die Drücke des schmelzflüssigen Polymerisats in keilförmigen Zwischenräumen 128 und 129, wenn die Kegel der Nocken mit den Gebern fluchten, vergleiche Fig. 4. Hinter den Keile 125 und 127 befinden sich Nokkenschützer 130 und 131. Die variierenden Radien des Keils 127 sind größer als die entsprechenden variierenden Radien des Keils 125, so daß der Nocken 126 aufgrund eines höheren Schergefälles in den meisten Fällen eine höhere Druckamplitude als der Nocken 124 erzeugt. Es sei angegeben, daß bei sehr hohen Schergefällen das Polymerisat sich bis zu einem Material mit niedrigerem Molekulargewicht verschlechtern und sein Schmelzdruck ziemlich niedrig sein kann. Das kann auch bei Polymerisaten der Fall sein, die bei hoher Scherung auf Grund der Scherentzähung eine starke Viskositätsverminderung erfahren. In diesem Fall kann der durch den Nocken 126 erzeugte maximale Druck niedriger als der durch den Nocken 124 erzeugte sein. Dies beeinträchtigt jedoch nicht die Eignung dieser Vorrichtung zur Viskositätsbestimmung, da noch eine Druckdifferenz ΔP für die Berechnungszwecke bei jedem Nocken vorhanden ist. Die Temperatur der Schmelze im Zylinder wird durch ein wärmeisolierendes Schmelzthermoelement TH gemessen, das an der Schnittstelle der Zylinder 120 und 121 angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung ist ein Nocken auf jeder gleich schnell rotierenden Schnecke in gleichem Abstand von den entsprechenden Enden beider Schnecken derart angeordnet, daß die Oberflächen der Nocken selbstabstreifend sind. Auf diese Weise wird frische Polymerisatschmelze durch die Geber TR1 und TR2 in den Zwischenräumen 128 und 129 kontinuierlich abgefühlt. Die Geber TR1 und TR2 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Zylinder vorzugsweise so eingebaut, daß die Gebermembranen mit den Extruderwänden fluchten. Sie können bis zu ungefähr 2 mm innerhalb der Extruderwände ausgenommen sein, um vor Beschädigung geschützt zu sein. Die Spitze des Thermoelements TH muß über die Extruderwand weit genug in die Schmelze überstehen, um vom fließenden schmelzflüssigen Polymerisat ständig umgeben zu sein, jedoch derart, daß sie auf keinen Nocken trifft, vergleiche Fig. 4.
Ein Nocken 140, der in Fig. 5 im Querschnitt gezeigt und auf der Extruderschnecke 102 montiert ist, hat zwei um 180º versetzte Keile 141 und 142. Der Keil 141 hat einen größeren durchschnittlichen Krümmungsradius und erzeugt in den meisten Fällen einen höheren Druck des schmelzflüssigen Polymerisats, das durch einen Zwischenraum 143 zwischen diesem Keil und der Extruderzylinderwand 101 fließt, als der Keil 142, der einen kleineren durchschnittlichen Krümmungsradius hat und in einem Zwischenraum 144 einen niedrigeren Druck erzeugt. Ein solcher Nocken hat die Funktion von zwei getrennten Nocken, von denen jeder einen Keil von unterschiedlicher Größe hat.
Falls gewünscht, kann ein Nocken mehr als zwei Keile haben und in verschiedenen Anwendungen verwendet werden, wie solchen, wo die Drehzahl niedrig ist (zum Beispiel Schmelzzahnradpumpen) oder wenn die Messung von mehrfachen Schergefällen erwünscht ist. In dieser Zeichnung sind TH und TR ein Schmelzthermoelement bzw. ein Druckgeber.
Alle Ausführungsformen von Fig. 2, 4 und 5 können längs der Extruderschnecke an mehr als einem Ort eingebaut werden, um die Verfahrenszwischenschritte zu überwachen, und können für unterschiedliche spezielle Verfahrensschergefälle ausgelegt werden, falls ein Bedarf auftritt. Bevorzugte Orte im Extruder befinden sich zwischen der Vakuumöffnung (sofern vorhanden) und der Form und auch am Ende der Schnecke.
Fig. 6a bis 6c zeigen zwei alternative Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, wo eine stationäre Nockeneinrichtung an der Innenwand einer Extruderzylinders montiert ist oder einen Teil hiervon bildet. Fig. 6a ist ein Querschnitt einer Einnockenanordnung in einem Einschnekkenextruder. Die Zeichnung zeigt einen Extruderzylinder 101, einen Zylinder 150 der als Druckwandeinrichtung dient und konzentrisch zur Extruderschnecke 101 montiert ist, eine stationäre Nockeneinrichtung 151 und einen Teil 152 von einer oder zwei wahlweisen Schutzeinrichtungen, die auf beiden Seiten des Nockens 151 angeordnet sind. Der rotierende Zylinder 150 zieht die längs des Zylinders 101 fließende Polymerisatschmelze in den keilförmigen Zwischenraum 153 zwischen dem Zylinder 150 und dem Nocken 151. Wie vorher ist TR ein Druckgeber, während TH ein Schmelzthermoelement ist. TRI ist ein zusätzlicher Druckgeber, der den Arbeitsdruck P0 des Verfahrens außerhalb des Nockens 151 mißt.
Der Druckgeber TR ist vorzugsweise in einem Abstand xm vom großen Ende des Zwischenraums angeordnet, welcher Abstand gemäß der obigen Gleichung (6) bestimmt wird. Auf diese Weise wird die höchste Empfindlichkeit des Druckgebers TR auf Viskositätsänderungen im Strom der Polymerisatschmelze erzielt. Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß in diesem Fall der durch den Druckgeber TR gefühlte Druck verhältnismäßig stabil ist, so daß der Druckgeber kein schnell ansprechendes Instrument sein muß und noch beinahe sofortige, genaue Ablesungen während des gesamten Verfahrens liefert. Er ist ferner weniger Verschleiß ausgesetzt und hat somit eine längere Betriebslebensdauer als an anderen Orten.
Fig. 6b zeigt eine Variante dieser Ausführungsform, wo zwei stationäre Nockeneinrichtungen 161 und 162 innerhalb Zylindern 120 und 121 eines Doppelschneckenextruders montiert sind. 163 und 164 sind rotierende Zylinder, die auf (nicht gezeigten) Schnecken montiert sind. Diese Zylinder können so ausgelegt sein, daß sie selbstabstreifend wirken, was aber in der Zeichnung nicht dargestellt ist. 165 ist eine von zwei wahlweisen Schutzvorrichtungen auf beiden Seiten des Nockens 161. Die entsprechende Schutzvorrichtung für den Nocken 162 ist nicht gezeigt. TR2, TR3 und TR4 sind Druckgeber. TH ist ein Schmelzthermoelement. Die Schnecken rotieren gleich schnell, wobei die Drehrichtung durch Pfeile gezeigt ist. In dieser Zeichnung ist der Nocken 162 mit kleineren inneren Krümmungsradien als denjenigen des Nockens 161 dargestellt, so daß er zwischen seiner Innenfläche und dem Zylinder 164 einen kleineren Zwischenraum als den Zwischenraum 166 zwischen den Nocken 161 und dem Zylinder 163 bildet. Der Nocken 162 erzeugt eine größere Scherung als der Nocken 161. Die rotierenden Zylinder 150, 163 und 164 von Fig. 6c und 6b und ihre zugehörigen Nocken sind vorzugsweise am Ende der Schnecke in der Nähe der Gießform montiert.
Fig. 6c ist ein Längsschnitt durch den Zylinder 101 und zeigt den Nocken 151, der einen Teil der Innenwand des Zylinders 101 bildet. Während dies eine typische Darstellung eines Einschneckenextruders oder eines Doppelschneckenextruders ist, wird der Einfachheit wegen angenommen, daß diese Zeichnung den Einschneckenextruder darstellt. Alle Bezugszeichen entsprechen daher denjenigen von Fig. 6a.
Die Bewegungsrichtung des mit dem Verfahrensflüssigkeitsstrom in Berührung stehenden Drehglieds ist vorzugsweise senkrecht zu diesem Strom. Dies ermöglicht eine gute repräsentative Probenentnahme und minimiert Druckänderungen in Richtung des Verfahrensstroms. Wenn auch P&sub0; als konstant angenommen wird, muß dies tatsächlich nicht der Fall sein. Wenn insbesondere in Querrichtung Druckänderungen auftreten, wird in den Berechnungen der Durchschnittswert von P&sub0; verwendet.
Das rotierende Glied des Schmelzrheometers der vorliegenden Erfindung muß nicht auf einem funktionellen rotierenden Teil der Vorrichtung montiert sein, in der es eingebaut ist, etwa auf der Welle einer Extruderschnecke. Das Rheometer kann zum Beispiel in einem Autoklav, einem eaktor, einer Mischvorrichtung, einer Zahnradpumpe einer OSchmelzspinnzahnradpumpe usw. eingebaut sein, wobei das rotierende Glied durch einen äußeren Motor oder eine andere Antriebseinrichtung angetrieben werden kann. Daher kann das Rheometer unmittelbar im vollen Verfahrensstrom oder in einem Seitenstrom angeordnet werden und kann durch seine eigene Antriebseinrichtung bei jeglichem Schergefälle oder Schergefällen angetrieben werden, die für die Verfahrensüberwachung und -kontrolle der Produktqualität benötigt werden. Viele Verfahren ziehen aus der Anwendung eines Rheometers der vorliegenden Erfindung einen Nutzen, zum Beispiel das reaktive Mischen, die Polymerisation, das Schmelzspinnen, das Extrudieren usw. Beim Schmelzspinnen ist die Schmelzrheologie an der Spinndüse kritisch bezüglich der Qualitätskontrolle der gesponnenen Faser. Daher wäre eine der bevorzugten Anwendungen ein Rheometer, das in einer Zahnradpumpe oder in der Spinndüse montiert ist.
Im allgemeinen ist die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise so ausgelegt, daß sie mit ungefähr demselben Schergefälle wie demjenigen des speziellen schmelzenverarbeitungsbetriebs betrieben werden kann, bei dem die Vorrichtung Anwendung findet. Dies erfolgt durch Bestimmung des Werts von hm für die Verfahrensdrehzahl N. Falls gewünscht, kann die Vorrichtung stattdessen mit dem Schergefälle betrieben werden, das im Qualitätskontrolllabor gebildet wird, zum Beispiel 1000 sec&supmin;¹. Wegen des sofortigen Ansprechens des Schmelzrheometers der vorliegenden Erfindung eignet sich diese Vorrichtung zur Rückkopplungsverfahrenssteuerung. Wenn zum Beispiel N 300 U/min beträgt, ist die Ansprechzeit ungefähr 0,2 sec, was viel schneller als bei bisher verfügbaren Seitenstromvorrrichtungen ist.
Der Drucksensor, insbesondere ein Druckgeber, der ein wichtiges Element der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, erzeugt ein elektrisches Signal in Form eines Analogausgangs normalerweise im Bereich von 0-10 Volt. Die bevorzugten Druckgeber waren ursprünglich solche, die von der Firma Dynisco, Norwood, Massachusetts, angeboten wurden. Es werden nun aber gleichwertige Druckgeber angeboten, unter anderem von den Firmen Gentron, Sunnyvale, Kalifornien; ISI, Winchester, Massachusetts; und Kulite, Leonia, New Jersey. Bei der bevorzugtesten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird dieser Ausgang digitalisiert und zu einem programmierten Rechner geschickt, der durch Anwendung der Reynoldsschen Gleichung (wie oben erwähnt) die Polymerisatschmelzviskosität über dem Schergefälle berechnet. Zusätzlich zum Druckgeber enthält die Vorrichtung für gewöhnlich auch ein mit der Polymerisatschmelze in Kontakt stehendes Schmelzthermoelement. Wegen der Rührwirkung des Nockens wird auch eine genaue Bestimmung der durchschnittlichen Schmelzengrundtemperatur ermöglicht.
Es ist ersichtlich, daß man in gleicher Weise gute Schmelzrheologiebestimmungen durchführen kann, die gemäß der obigen Gleichung (10) auf Scherspannungsmessungen beruhen. Zu diesem Zweck würde man statt dem örtlichen Drucksensor einen örtlichen Scherspannungssensor verwenden.
Die Polymerisatschmelzviskosität gemäß der untenstehenden Gleichung (14) entspricht gut den Labormessungen, die mit einem Kapillaritätsviskometer gemäß ASTM D3835-79 durchgeführt wurden:
ηST = CFn (γL/γ)n-1 eAγL(Tm-TL), (14)
worin ηST die im Hinblick auf Schergefälle und Temperatur korrigierte, vorausgesagte Viskosität ist; CF die Eichkonstante ist; AγL die Arrhenius-Konstante bei Laborschergefälle ist; n der Potenzfließgesetz-Faktor oder -Index ist, der das Scherentzähungsverhalten von nicht-Newtonschen Flüssigkeiten in Rechnung zieht; Tm die gemessene Schmelztemperatur in der Vorrichtung ist; TL die Laborprobenschmelztemperatur ist, bei der die Bezugsviskositätsmessung durchgeführt wird; γ das Schergefälle ist; und γL das Laborprobenschergefälle ist, bei dem die Bezugsviskositätsmessung durchgeführt wird. Es sei auch angegeben, daß die Laborviskositätsbestimmungen mehrfach wiederholt werden müssen, um den experimentellen Fehler zu verringern.
Eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung von Laborgröße kann zur sehr genauen Bestimmung der Arrhenius-Konstanten A für unterschiedliche Schergefälle verwendet werden durch Ausführung von gesteuerten Temperaturänderungen bei solchen unterschiedlichen Schergefällen durch Ändern der Drehzahlen, während eine äußere Heiz- oder Kühleinrichtung verwendet wird. Da in diesem Augenblick ein kontinuierlicher Polymerisatschmelzenstrom vorliegt, der bei konstantem Schergefälle (N ist konstant) jedoch bei zwei unterschiedlichen gesteuerten Temperaturen geprüft wird, werden Fehler beseitigt, die normalerweise durch eine unpassende Probenbereitung für ein Laborkapillaritätsviskometer eingeführt werden. Bekanntlich haben durch Laborfehler verursachte Viskositätsänderungen dieselbe Größenordnung wie durch Temperaturänderungen verursuchte Viskositätsänderungen.
Fig. 4 zeigt eine der bevorzugten Auslegungen der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung, d. h. zwei gleich schnell rotierende, selbstabstreifende Einkegelnocken. Sowohl dies als auch eine mit zwei Keile arbeitende Einnockenvorrichtung (Fig. 5) haben die einzigartige Fähigkeit, die Polymerisatviskosität bei einem bestimmten Schergefälle unabhängig davon anzuzeigen, welches die tatsächlichen Schergefälle sind. Dies ist möglich, weil jeder Keil für spezielle Zwischenraumabmessungen hml und hm2 ausgelegt werden können zur Lieferung von entsprechenden Schergefällen, die innerhalb des gewünschten speziellen Schergefälles γL oder nahe daran liegen. Diese Eigenschaft ist vorteilhaft, weil sie eine Vorhersage der scheinbaren Polymerisatviskosität bei Schergefällen gestattet, die von den unmittelbar gemessenen abweichen, und zwar insbesondere für Polymerisate mit nicht-Newtonschem Verhalten. Ist die scheinbare Polymerisatviskosität bei mehr als einem Schergefälle bestimmt, so kann man den Potenzfließgesetz-Index bestimmen, der die scheinbare Polymerisatviskosität dem Schergefälle zuordnet. Der Potenzfließgesetz-Index kann für viele Polymerisate zur geauen Vorhersage der Viskosität innerhalb eines praktichen Verfahrensbereichs von Schergefällen verwendet weren. Ferner kann die Arrhenius-Konstante durch Messen der Viskosität bei unterschiedlichen Temperaturen bestimmt und dann zur Vorhersage der Viskosität bei anderen Temperaturen verwendet werden.
Eine weitere mögliche Ausführungsform könnte zwei Einkeilnocken aufweisen, die auf derselben Schnecke in einem Einschneckenextruder in axialem Abstand angeordnet sind. Diese Anordnung hätte gegenüber einem Einzelnocken mit zwei Keile einen Vorteil, da diese Zweinockenanordnung ein geringeres Blockieren des Polymerisatstroms als ein Zweikeilnocken bewirken würde. Sogar ein Einzelnocken mit einem Einzelkeil hat jedoch wegen seines möglicherweise längeren Keils gegenüber einem Zweikeilnocken hervorragende Vorteile, so daß er einen höheren Druck erzeugen kann und eine hohe Empfindlichkeit hat.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignen sich besonders gut für Messungen von rheologischen Eigenschaften von hochviskosen Materialien. Materialien mit geringer Viskosität würden extrem kleine Zwischenräume und eine Ermittlungsvorrichtung mit sehr hoher Empfindlichkeit benötigen. Einer der hervorragenden Vorteile der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie mit Erfolg bei gefüllten Polymerisaten verwendet werden können, zum Beispiel für faserverstärkte Polymerisate, wo die Anwendung von Kapillarviskosimetern unpraktisch ist, während die direkt oder on-line angeschlossenen Seitenstromvorrichtungen des Standes der Technik die Hinzufügung von Schmelzzahnradpumpen benötigen. Ein nutzbarer Viskositätsbereich liegt bei wenigstens ungefähr 1-5000 Pa sec. Außerdem gestattet die vorliegende Erfindung die Durchführung von Bestimmungen unmittelbar im Verfahren ohne die Entnahme von Proben für Messungen in anderen Geräten, etwa Schmelzindex-Prüfern und dergleichen.
Trotzdem könnte das Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für die Bestimmung von Viskositäten von anderen Flüssigkeiten als schmelzflüssigen Polymerisaten angepaßt werden, zum Beispiel von konzentrierten Lösungen oder Emulsionen von Polymerisaten oder anderen Materialien.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie eine Probe von schmelzflüssigem Polymerisat kurzzeitig in einen eingeengten Bereich hineinzieht, der durch den Zwischenraum zwischen der Nockeneinrichtung und der Druckwandeinrichtung der Vorrichtung begrenzt ist, wo eine Anzahl von weiteren Messungen unter kontrollierten Strömungsbedingungen, einschließlich Schmelztemperaturmessungen und Infrarotsowie Ultraschallabtastungen, gemacht werden können. Diese Messungen sind genauer als solche durch einfaches Einsetzen eines Meßfühlers in den Extruderzylinder wegen der komplexen Strömungsmuster und weil einige strömende schmelzflüssigen Polymerisate die bekannte Neigung haben, sich entsprechend den Viskositäten und Zusammensetzungen längs ihres Wegs zu entmischen. Zum Beispiel hat sich gezeigt, daß viskoseres Material sich normalerweise angrenzend an die Wände des Zylinders befindet, während weniger vikoses Material in der Nähe der Mitte des Extruderzylinders bleibt. Jedoch ist das im Zwischenraum konzentrierte schmelzflüssige Polymerisat eine sehr gründliche Mischung von Polymerisatfraktionen mit unterschiedlichen Viskositäten, so daß seine Eigenschaften genau repräsentative durchschnittliche Eigenschaften des durch den Zylinder strömenden Polymerisats sind. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung eignet sich somit zur Probenahme von Polymerisat an Ort und Stelle. Die unmittelbar im Verfahren erfolgenden Viskositätsbestimmungen gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglichen auch eine statistische Zählung von Verunreinigungen, zum Beispiel durch Zählen des Auftretens von Viskositätsspitzen in einem Diagramm.
Keilförmige Nocken können für eine beliebige Art von Vorrichtung und erwartetem Polymerisatviskositätsbereich ausgelegt und genormt werden. Gemäß Fig. 4 haben die Nocken 124 und 126 Keile 125 und 127 mit ungleichen Krümmungen. Für eine Drehung im Uhrzeigersinn ist der Nocken, dessen Keil eine größere Krümmung hat (Hochscherungsnocken 126), vorzugsweise auf der rechten Seite montiert, wenn er der Gießform oder dem Auslaß zugewandt ist. Im speziellen Fall, in dem dieses System eingebaut war, war der Extruder ein Doppelschneckenextruder von Werner & Pfleiderer (W&P), wobei jeder Zylinder einen Innendurchmesser von 53,2 mm hatte.
Ob für einen Einschneckenextruder oder einen Doppelschneckenextruder, die Nocken werden im allgemeinen so ausgelegt, daß der Zwischenraum zwischen dem rotierenden Glied und dem stationären Glied der Forderung genügt, daß h&sub1;/h&sub2; = 2,2 oder 3,765 (siehe Fig. 2c). Wenn dieses Verhältnis 2,2 ist, kann der maximale Druck aus dem minimalen praktischen Zwischenraum erhalten werden. Wenn es 3,765 ist, wird die Amplitude von ΔPm für ein gegebenes Nockenschergefälle maximiert. Für die spezielle selbstabstreifende Nockenauslegung gemäß Fig. 4 beträgt die Länge des Zwischenraums (und des Nockenkeils) für einen W&P-Doppelschneckenextruder mit der Nenngröße 53 mm 5,571 cm. Für einen W&P-Doppelschneckenextruder mit der Nenngröße 120 mm beträgt diese Länge 12,629 cm. Der radiale Winkel α des Keils beträgt für beide 120º (siehe Fig. 2c). Für solche Nocken wird die vorliegende zusätzliche Information für den 53 mm-Extruder und den 120 mm Extruder gegeben. In jedem Fall wurde das Nockenschergefälle bei xm auf 1000 sec&supmin;¹ festgelegt und war somit mit dem Schergefälle identisch, das im Labor zur Bildung von Bezugsviskositäten angewendet wurde. Extruder * Extruderschnecke U/min ** in cm
Fig. 7 ist ein typisches Diagramm des Drucks (MPa) über der Zeit (msec) erzeugt für Polyethylen mit einem Schmelzindex von 15 g/10 min gemäß ASTM D1238-79 durch die Hoch- und die Niederschergefällenocken eines Schmelzrheometers der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 4 oben eingebaut in einen 53 mm W&P-Doppelschneckenextruder. In diesem Fall betrug hm für den Hochscherungsnocken 0,54 mm und 0,81 mm für den Niederscherungsnocken Das Verhältnis h&sub1;/h&sub2; war in beiden Fällen 2,2, und die Breite des Nokkens betrug 20 mm, wobei auf jeder Seite Schutzinichtungen angeordnet waren. Da die Druckgeber TR1 und TR2 um 180º versetzt eingebaut waren, befanden sich die Spitzen des Druckprofils für den Niederscherungsnocken (LSR) ungefähr in der Mitte zwischen den Spitzen des Druckprofils für den Hochscherungsnocken (HSR).
Fig. 8 ist ein typisches Diagramm des Drucks (MPa) über der Zeit (msec) erzeugt durch einen Nocken mit zwei um 180º versetzten Keile gemäß Fig. 5 oben. Das Diagramm hat abwechselnde Spitzen entsprechend dem Hochscherungsnocken (HSR) und dem Niederscherungsnocken (LSR).
Die Druckprofile, zum Beispiel die durch die Diagramme von Fig. 7 und 8 dargestellten, sind charakteristisch für bestimmte Polymerisate und können zur Bestimmung weiterer rheologischer Eigenschaften von Polymerisaten zusätzlich zu deren Schmelzviskositäten verwendet werden. Somit ist die Zeitverschiebung zwischen den Druckspitzen eine Angabe für die Polymerisatschmelzviskoelastizität, insbesondere wenn Nocken mit zwei unterschiedlichen Schergefällen verwendet werden, wobei die Verschiebung um so größer ist, je größer die Schmelzviskoelastizität ist. Die Standardabweichung für die Verschiebung ist eine Anzeige für die Relaxationszeiten oder die Gleichförmigkeit der Schmelze, wobei die Schmelze um so gleichförmiger ist, je kleiner die Abweichung ist, und zwar selbst dann, wenn beide Keile (oder Nocken) mit dem gleichen Schergefälle arbeiten. Auch wenn beide Keile mit dem gleichen Schergefälle arbeiten und die Zwischenraumabmessungen h&sub1;/h&sub2; für einen Keil von denjenigen des anderen Keils abweichen, sind die ΔPm-Werte für beide Keile im Fall einer Newtonschen Flüssigkeit gleich groß. Jedoch für eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit sind diese Werte nicht gleich groß, wobei die Differenz zwischen den Pm-Werten ein Maß für die Elastizität der Flüssigkeit ist. Sowohl Schmelzviskosität als auch -elastizität sind empfindliche Indikatoren der Produktqualität.
Die Auslegung des Zwischenraums ist von Bedeutung. Seine Abmessungen h&sub1;, h&sub2;, L und W sollten so gewählt werden, daß sie im Zwischenraum eine stabile und kontinuierliche Flüssigkeitsströmung ermöglichen und den Flüssigkeitsdruck im Zwischenraum maximieren. Auch sollten seitliche Leckverluste der Flüssigkeit so klein wie möglich sein. Die Zwischenraumauslegung hängt von der erwarteten Polymerisatrheologie und von der Einbaugeometrie der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ab. Eine Vorrichtung mit einer guten Zwischenraumauslegung ergibt stabile Druckprofile, zum Beispiel die in Fig. 7 und 8 gezeigten. Bevorzugt wird, daß das Verhältnis W/L größer als 0,05, vorzugsweise 0,1 bis 5, ist; daß das Verhältnis W/hm größer als 10, vorzugsweise 20 bis 5000, ist; und daß das Verhältnis h&sub1;/h&sub2; größer als 1, vorzugsweise 1,5 bis 20, ist. Die Auslegung der Zwischenraumabmessungen in Abhängigkeit vom Nockenkeilwinkel α (siehe Fig. 2c) muß nicht linear sein, so lange sie stabile Flüssigkeitsströmung und stabilen Druck innerhalb des Zwischenraums ermöglicht.
Fig. 9 ist ein typisches funktionelles Blockdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wobei das durch die Sensoreinrichtung erzeugte Signal zu einem programmierten Rechner übertragen wird, der das Signal verarbeitet und den gewünschten rheologischen Wert zurückbringt.
Wie sich aus der obigen Diskussion klar ergibt, muß eine Anzahl von Parametern, die in die mathematischen Gleichungen eingehen, bekannt sein oder bestimmt werden. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung muß daher mit einer Vielzahl von Sensoreinrichtungen oder anderen Meßgeräten ausgerüstet sein. Die von einem solchen Gerät erzeugten Signale werden im Signalaufbereitungsmodul (Block 200) aufbereitet. Dieser Modul enthält Geräte, wie Druck- und Temperaturverstärker, eine Druckdifferenz- Meßgeräteausrüstung, Rauschfilter, Hardware für die Drehzahlmesseraufbereitung, Stromzufuhr und Eingang/Ausgang-Anschlußkabel. Die verarbeiteten Signale werden zu einer mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden A/D-Umsetzerschnittstelle A/D und einem Direktspeicherzugriff DMA (Block 201) geschickt, der eine unmittelbare Datenübertragung zum RAM-Speicher eines Mikroprozessors gestattet. In diesem Modul werden die von den Sensoren empfangenen Analogsignale in Digitalsignale umgewandelt, die durch einen programmierten Mikroprozessor (Block 202) verarbeitet werden können. Dort wird die von den Sensoren empfangene Information zur Berechnung der Polymerschmelzrheologie verarbeitet. Die Ergebnisse werden entweder durch einen Drucker 204 gedruckt oder auf einer im Block 205 gezeigten Kathodenstrahlröhre (CRT) angezeigt oder werden gedruckt und angezeigt. Für die Eingabe von Daten in den programmmierten Mikroprozessor und zur Def initon von Alarmgrenzen wird ein Tastenfeld 203 verwendet. Die berechnete Schmelzviskosität oder andere Schmelzeigenschaft wird auch über einen A/D-Umsetzermodul A/D im Block 201 zu einem Analogausgang kontinuierlich zurückverwandelt, der in Form eines Diagramms dargestellt werden kann. Die Schnittstelle 201 liefert auch den Analogausgang für eine Alarmvorrichtung 207. Der Analogausgang ist proportional zur gemessenen Viskosität und ist wahlweise funktionell verbindbar mit einem verteilenden Steuersystem 208 des Polymerisatherstellungsverfahrens zur Überwachung und Steuerung der Produktqualität oder mit einem Datenerfassungssystem 209 zur Herstellung von Dokumentationsdateien für die Produktqualität.
Fig. 10 ist ein typisches Fließdiagramm der durch den programmierten Mikroprozessor (Block 202 von Fig. 9) durchgeführten Funktionen zur Bestimmung der Polymerisatschmelzviskosität gemäß der vorliegenden Erfindung. Die von Rheometersensoren empfangenen Signale werden in einem Block 300 gelesen. Es sind dies hauptsächlich P&sub0;, Pm, Tm und N, die zuerst im A/D-Umsetzer in digitale Form umgewandelt wurden (Block 201 von Fig. 9). In einem Block 301 berechnet das Programm ΔPm, d. h. den durch die Wirkung der Nockeneinrichtung im Zwischenraum erzeugten Druckanstieg, durch Subtrahieren des durchschnittlichen Drucks P&sub0; außerhalb des Zwischenraums vom maximalen Druck Pm (d. h. ΔPm = Pm - P&sub0;) im Zwischenraum. Dies kann alternativ auch mit Hilfe einer geeigneten Hardware in der Signalaufbereitungseinrichtung erfolgen (Block 200 von Fig. 9). Im Fall eines rotierenden keilförmigen Nockens wird der durch den Zwangsstrom der Polymerisatschmelze im Zwischenraum erzeugte Druck durch einen schnell ansprechenden Druckgeber bei jeder Umdrehung des Nockens gefühlt, so daß ΔPm einfach aus den Druckprofilen einfach berechnet werden kann, zum Beispiel aus den in Fig. 7 und 8 gezeigten.
Auch berechnet das Programm im Block 301 die Drehzahl U, die gleich 2πNr/60, worin r der mittlere Radius des rotierenden Glieds und N wie oben definiert sind. Für gewöhnlich wird N durch einen Drehzahlmesser in Form eines Signals geliefert, das im Block 300 gelesen wird. Im einfachsten Fall jedoch, in dem ein rotierender Nocken auf der Welle eines Extruders montiert ist, kann N aus den Daten des Drucks über der Zeit durch Berechnen der Zeit zwischen Spitzen oder Tälern der Druckprofile berechnet werden.
Ferner berechnet das Programm im Block 301 hm aus den Zwischenraumabmessungen gemäß der Gleichung hm 2h&sub1;h&sub2;/(h&sub1; + h&sub2;).
Aus allen obigen Informationen auf der Basis von bekannten oder gemessenen Werten berechnet das Programm die scheinbare Schmelzviskosität (in Pa sec) aus der obigen Gleichung (8) und verwendet die obige Gleichung (9) zur Berechnung des gemessenen Schergefälles.
Der Ausgang aus Block 302 ist somit η, γ und Tm Diese Werte werden dann als Eingang für einen Block 303 verwendet, wo die vorausgesagte scheinbare Viskosität im Hinblick auf Schergefälle und Temperaturabweichungen γL bzw. TL von den Laborbedingungen korrigiert wird. Wenn die Werte von A, n und CF für ein bestimmtes Polymerisat in der Rechnerdatenbasis gespeichert sind, wird diese Information im Block 303 gelesen. Wenn diese Information nicht verfügbar ist, berechnet das Programm diese Werte aus der obigen Gleichung (14). Wenn zum Beispiel N konstant ist und sich die Schmelztemperatur zwischen zwei oder mehreren Punkten ändert, kann das Programm die Arrhenius-Konstante A berechnen. Wenn die Schmelztemperatur konstant ist, jedoch N sich zwischen zwei oder mehreren Punkten ändert, kann das Programm den Potenzfließgesetz-Index n berechnen. In einigen großen Maschinen kann es schwierig sein, die Temperatur zu steuern, wenn sich die Drehzahl ändert. In diesem Fall kann man A und n gleichzeitig berechnen durch Anwenden der Gleichung (14) auf drei unterschiedliche Punkte, die bedeutsame Temperatur- und Drehzahländerungen darstellen. Wenn A und n bekannt sind, kann das Programm CF berechnen durch Vergleichen der vorausgesagten scheinbaren Schmelzviskosität ηST mit dem im Labor erhaltenen scheinbaren Schmelzviskositätswert ηL, d. h.
CF ηL/AST
Daher berechnet in jedem Augenblick des Polymerisatherstellungsverfahrens die im Block 303 durchgeführte Funktion ηST unter Verwendung der Gleichung (14). Der Ausgang ηST wird als vorhergesagter Wert der scheinbaren Viskosität bei Laborbedingungen in einem Block 304 angezeigt oder aufgezeichnet. Dieser Wert wird auch zur D/ASchnittstelle 201 (Fig. 9) zur Lieferung eines Analogausgangs gesendet, der dem Wert der vorhergesagten Viskosität proportional ist. Dieser Ausgang kann zur Durchführung einer unmittelbar erfolgenden Verfahrenssteuerung verwendet werden.
Das bei der vorliegenden Anmeldung verwendete spezielle Rechnermodell war ein IBM PS/2 Modell 30. Es können aber andere Rechner mit ähnlichen Fähigkeiten mit gleichem Erfolg verwendet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum schnellen und reproduzierbaren Bestimmen der Rheologie der Schmelze eines Polymerisats, das in einer Schmelzen-Verarbeitungsvorrichtung gefördert oder plastifiziert wird, mit

wenigstens einem Paar einer Nockeneinrichtung (103) und einer ihr nahen, jedoch durch einen kleinen Zwischenraum (106) davon getrennten Druckwandeinrichtung (101), wobei eines der Elemente dieses Paars ein rotierendes Element (103) und das andere ein stationäres Element (101) ist, beide Elemente (103, 101) innerhalb der Schmelz-Verarbeitungsvorrichtung in fortwährender Berührung mit dem geförderten oder plastifizierten schmelzflüssigen Polymerisat angeordnet sind, die Nockeneinrichtung (103) so geformt und montiert ist, daß sie innerhalb des schmelzflüssigen Polymerisats, das durch den Zwischenraum (106) zwischen ihr und der Druckwandeinrichtung (101) fließt, Druckerhöhungen und -erniedrigungen hervorrufen kann, so daß sich wenigstens ein Druckmaximum und ein Druckminimum bei jeder Drehung des rotierenden Elements (103) ergibt, und das rotierende Element durch eine Antriebseinrichtung angetrieben wird, die dem rotierendem Element seine Drehbewegung erteilt;

wobei das Paar der Nockeneinrichtung (103) und der Druckwandeinrichtung (101) in solcher räumlicher Beziehung zueinander angeordnet ist, daß der Zwischenraum (106) zwischen dem Rand der Nockeneinrichtung (103) und der Druckwandeinrichtung (101) keilförmig ist und in Drehrichtung des rotierenden Elements (103) entweder abnimmt oder zunimmt und in funktionellem Kontakt mit einer Sensoreinrichtung (TR) steht, die kontinuierlich eine physikalische Größe erfassen kann, die entweder der Druck oder die Scherspannung des schmelzflüssigen Polymerisats innerhalb und langs des Zwischenraums (106) ist, und ein diese physikalische Größe wiedergebendes Signal erzeugen kann; und wobei das durch die Sensoreinrichtung (TR) erzeugte Signal zu einer Einrichtung gesendet wird, die die Werte der durch die Sensoreinrichtung erfaßten physikalischen Größe aufzeichnen oder anzeigen oder das Signal konvertieren kann, und zwar durch Anwendung der Reynold'schen Theorie der Schmierung in eine Wiedergabe des Wertes der scheinbaren Viskosität der Polymerisatschmelze und Verwendung dieser Werte zur Ermöglichung einer unmittelbaren Verfahrenssteuerung.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Nockeneinrichtung (103) die Form einer Verjüngung (104) hat, die sich radial von einem im wesentlichen kreisförmigen Körper erstreckt, und das rotierende Element ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die innerhalb eines Einschnecken- oder Doppelschnecken-Extruders montiert ist, wobei jede Nockeneinrichtung (103) auf der Welle einer Extruderschnecke (102) angeordnet ist und in der Richtung und mit der Drehzahl der Schnecke (102) rotiert.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, die innerhalb eines Einschnecken-Extruders montiert ist, wobei die Nockeneinrichtung (140) zwei Verjüngungen (141, 142) ungleicher Krümmung und im Abstand von 180º aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Breite zu der Länge des Zwischenraums (106) 0,1 bis 5 beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des maximalen Abstands zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) zum minimalen Abstand zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) 1,5 bis 20 beträgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Breite des Zwischenraums (106) zu dem Abstand zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) an der Stelle des Druckmaximums innerhalb des Zwischenraums 20 bis 5000 beträgt.

8. Verfahren zum schnellen und reproduzierbaren Bestimmen der Rheologie der Schmelze eines Polymerisats, das in einer Schmelz-Verarbeitungsvorrichtung gefördert oder plastifiziert wird, wobei man in dem Verfahren das Polymerisat durch eine Schmelz-Rheologie-Bestimmungsvorrichtung strömen läßt, die innerhalb der Schmelz-Verarbeitungsvorrichtung montiert ist, wobei die Schmelz-Rheologie-Bestimmungsvorrichtung

wenigstens ein Paar einer Nockeneinrichtung (103) und einer ihr nahen, jedoch durch einen kleinen Zwischenraum (106) davon getrennten Druckwandeinrichtung (101) aufweist, wobei eines der Elemente dieses Paars ein rotierendes Element (103) und das andere ein stationäres Element (101) ist, beide Elemente (103, 101) innerhalb der Schmelz- Verarbeitungsvorrichtung in fortwährender Berührung mit dem geförderten oder plastifizierten schmelzflüssigen Polymerisat angeordnet sind, die Nockeneinrichtung (103) so geformt und montiert ist, daß sie innerhalb des schmelzflüssigen Polymerisats, das durch den Zwischenraum (106) zwischen ihr und der Druckwandeinrichtung (101) fließt, Druckänderungen hervorrufen kann, so daß sich wenigstens ein Druckimpu1s bei jeder Drehung des rotierenden Elements (103) ergibt, und das rotierende Element durch eine Antriebseinrichtung angetrieben wird, die dem rotierendem Element seine Drehbewegung erteilt;

wobei das Paar der Nockeneinrichtung (103) und der Druckwandeinrichtung (101) in solcher räumlicher Beziehung zueinander angeordnet ist, daß der Zwischenraum (106) zwischen dem Rand der Nockeneinrichtung (103) und der Druckwandeinrichtung (101) keilförmig ist und in Drehrichtung des rotierenden Elements (103) entweder abnimmt oder zunimmt und in funktionellem Kontakt mit einer Sensoreinrichtung (TR) steht, die kontinuierlich eine physikalische Größe erfassen kann, die entweder der Druck oder die Scherspannung des schmelzflüssigen Polymerisats innerhalb und längs des Zwischenraums (106) ist, und ein diese physikalische Größe wiedergebendes Signal erzeugen kann; und

wobei das durch die Sensoreinrichtung (TR) erzeugte Signal zu einer Einrichtung gesendet wird, die die Werte der durch die Sensoreinrichtung erfaßten physikalischen Größe aufzeichnen oder anzeigen oder das Signal konvertieren kann, und zwar durch Anwendung der Reynold'schen Theorie der Schmierung in eine Wiedergabe des Wertes der scheinbaren Viskosität der Polymerisatschmelze und Verwendung dieser Werte zur Ermöglichung einer unmittelbaren Verfahrenssteuerung.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei jede Nockeneinrichtung (103) die Form einer Verjüngung (104) hat, die sich radial von einem im wesentlichen kreisförmigen Körper wegerstreckt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schmelz Rheologie-Bestimmungsvorrichtung innerhalb eines Einschneckken- oder Zweischnecken-Extruders montiert ist, wobei jede Nockeneinrichtung (103) auf der Welle einer Extruderschnecke (102) angeordnet ist und in der Richtung und mit der Geschwindigkeit der Schnecke rotiert.

11. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schmelz Rheologie-Bestimmungsvorrichtung innerhalb eines Einschneckken-Extruders montiert ist und die Nockeneinrichtung (140) zwei Verjüngungen (141, 142) ungleicher Krümmung und im Abstand von 180º aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 81, wobei das Verhältnis der Breite zu der Länge des Zwischenraums (106) 0,1 bis 5 beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis des maximalen Abstands zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) zum minimalen Abstand zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) 1,5 bis 20 beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verhältnis der Breite des Zwischenraums (106) zu dem Abstand zwischen dem stationären Element (101) und dem rotierenden Element (103) an der Stelle des Druckmaximums innerhalb des Zwischenraums 20 bis 500 beträgt.

15. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schmelz- Rheologie-Bestimmungsvorrichtung in einer Zahnradpumpe montiert ist, die schmelzflüssiges Polymerisat zu einer Spinndüse einer Schmelzspinnvorrichtung fördert.

16. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Schmelz- Rheologie-Bestimmungsvorrichtung innerhalb des Körpers einer Spinndüse einer Schmelzspinnvorrichtung montiert ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schmelz- Rheologie-Bestimmungsvorrichtung in einer Zahnradpumpe montiert ist, die schmelzflüssiges Polymerisat zu einer Spinndüse einer Schmelzspinnvorrichtung fördert.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Schmelz-- Rheologie-Bestimmungsvorrichtung innerhalb des Körpers einer Spinndüse einer Schmelzspinnvorrichtung montiert ist.