DE7640811U1 - Vorrichtung zur behandlung und extrusion von viskosem material - Google Patents

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PATIiNTANWALTE

D R.-IN Ci. H. FINCKE D I P L. - I N G . H. BOHR DIPL.-ING. S. STAEGER DR. rer. nat. R. KNEISSL

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13. Oktober 1977

UNIVERSITY OF WATERLOO Waterloo, Ontario/CANADA

"Vorrichtung zur Behandlung und Extrusion von viskosem Material"

PRIORITÄT;

31. Dezember 1975 Grossbritannien Nr. 53307/75

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Behandlung und Extrusion von polymerem Material.

Als Ersatz für herkömmliche Schneckenextruder wurden Drehscheibenextruder entwickelt. Bei diesen Drehscheibenextrudera wird nahezu ausschließlich Polymer zum Rand der Scheibe geführt, dieses Polymer zwischen einer Drehscheibe und einer stehenden Oberfläche Scherkräften ausgesetzt, das Polymer in

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Zentripetalrichtung bewegt und schließlich das Polymer in Axialrichtung der Drehscheibe abgenommen, so daß die höchste Scherwirkung zunächst auf das ungeschmolzene Material und die niedrigste Scherwirkung am Abführungspunkt ausgeübt Ki rd.

0emäß der Neuerung wird demgegenüber eine Extrusionsvcrfcichtung vorgeschlagen» bei welcher das Material unter dem frinfluß von Scherwirkung und viskoser Zugwirkung von einem Ort in der Nachbarschaft der Achse der Drehscheibe gegen fieren Rand geführt und von einem Punkt abgeleitet wird, der !radial außerhalb und im Abstand von der Zuführstelle liegt.

J)ie Neuerung wird nachstehend für Ausführungsbeispiele anhand schematischer Zeichnungen erläutert.

Sn den Zeichnungen zeigen:

frig, i eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Beispiexs aer neuen L

frig. 2 eine Vorderansicht einer bei der Ausführungsform von Fig. 1 als Pumpenelement verwendeten Scheibe;

frig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 von Fig. 2; und

frig. 4 bis 9 Schnitte durch alternative Zuführungs-, Extrusions- und Abftüxrungsanordnuiigen.

Gemäß den Figuren 1 und 2 wird Kunststoffgranulat 1 oder anderes flüssiges oder festes Extrudiermaterial zu einem Trichter 2 geführt. Vom Trichter 2 gelangt es in einen Hals 3 und dann in den Bereich einer Förderschnecke 4. Die Extrusions einheit 5 wird in den verschiedenen Zonen durch die Verwendung von Erhitzern 6» 7 und 8 auf den erforderlichen Temperaturen gehalten.

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Ein Antriebsmotor, dessen Drehgeschwindigkeit durch einen geeigneten Regler eingestellt werden kann» wird angeschaltet. Der Motor 9 bewirkt eine Drehung der Förderschnecke 4 und einer damit verbundenen Scheibe 10 im Hohlraum der Extrusionseinheit 5· Hierdurch wird das Kunststoffgranulat pder <*as andere extrudierböreMaterial 1 zur Mitte der Scheibe 10 geführt, die auf der Stirnseite mit Spiralen versehen ist.

Das in der Mitte zugeführte Material wird zwischen den Doppelspiralen 11 auf der Scheibe 10 und der unmittelbar gegenüberliegenden Gegenplatte 12 einer Scherwirkung unterworfen. Die Spiralen 11 besitzen in radialer Richtung von der Achse der Scheibe 10 ausgehend (s. Fig. 3) eine abnehmende Tiefe, um die sich beim Schmelzen des Polymers ändernde Schüttdichte zu berücksichtigen. Durch die vereinigten Einflüsse der Wärmezuführung von der Grundplatte 12 und der mechanischen Durcharbeitung mittels der Spiralen 11 wird das extrudierbare Material 1 verflüssigt, sofern es nicht schon geschmolzen ist. Die viskose Zucwirkune des Materials 1 auf den Spiralen 11 zwingt das Material zum Rand 13 der Scheibe 10 und in den ringförmigen Raum zwischen dem Rand 13 und der benachbarten stehenden Wand. Von dort aus fließt das FTaterial 1 über die konische Rückseite 14 der Scheibe zu einer axial angeordneten Abgabeöffnung 15.

Die konische Rückfläche 14 der Scheibe 10 kann ebenfalls geformt sein, um Volumenelemente des Materials zu mischen und auszutauschen. Eine solche Formung kann auch die Förderung des Materials zur Abgabeöffnung 15 unterstützen.

Die Einführung des zu extrudierenden Materials in der Mitte oder in der Nähe der Mitte der Scheibe 10 und die Abführung des extrudierten Materials am oder in der Nähe des Randes

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der Scheibe 10 ermöglicht es, bei der Zuführung des Materials auf dieses eine geringe Scherwirkung auszuüben und diese Scherwirkung allmählich zu steigern, bis das geschmolzene Material unter einer hohen Scherwirkung am Rand 13 abgegeben wird. Diese Anordnung ergibt eine zufriedenstellende laminare Mischung des geschmolzenen Materials sov/ie eine zentrifugale bzw. radial nach außen gerichtete Pumpwirkung.

Die Scheibe 10 kann an den Stellen perforiert sein, wo das extrudierbare Material bereits ausreichend verflüssigt ist, um zusätzliche oder alternative Abgabeöffnungen von der mit Spiralen versehenen Oberfläche der Scheibe 10 zu schaffen.

Anstelle der Erhitzer 6, 7 und 8 können geeignete Erhitzer und Kühler der Scheibe 10 und/oder der G-egenplatte 12 zugeordnet sein, je nach der gewünschten Funktion der Einheit.

Der Abstand zwischen der Scheibe 10 vnd der Gegenplatte 12 kann durch ein Verschiebungselement 22 eingestellt werden, damit die Mischwirkung auf das extrudierte Material verändert werden kann. Ein Lager 16 ist vorgesehen, um den beim Extrusionsverfahren erzeugten Schub aufzunehmen, während Lager 17 und 18 eine axiale Lagerung für die sich drehenden Elemente 4 und 10 abgeben. Der Abstandseinstellungsmechanismus kann gegebenenfalls weggelassen werden.

Die gesamte Zusammenstellung wird mit Hilfe von Haltern 20 und 21 auf einem geeigneten Rahmen 19 festgehalten. Beim Normalbetrieb kann die Abgabeöffnung 15 mit einer herkömmlichen Verformungsdüse oder einem herkömmlichen Abführungssystem verbunden sein. Eine Ventilieruig des G-ehäuses 5 kann gegebenenfalls vorgesehen werden, um die Abgabe von Luft oder flüchtigen Materialien zu ermöglichen.

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Durch die Verwendung der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Vorrichtung wurden Extrusionen mit verschiedenen Materialien bei verschiedenen Drehgeschwindigkeiten, Abständen zwischen den Teilen 10 und 12, Temperaturen und Rückdrücken ausgeführt. Derartige Materialien, wie Polyäthylen niedriger Dichte, Polyäthylen hoher Dichte, Polystyrol, Polyäthylenterephthaiat, Nylon, nicht-weichgemachtes Polyvinylchlorid, Epoxyharze, Styrol/Butadien-Kautschuke and Polypropylen, wurden in dieser Vorrichtung erfolgreich mit und ohne Füllstoffe und Verstärkungsmaterialien, wie z.B. zerkleinerte Glasfasern, extrudiert.

Zwar kann der Extruder insbesondere zum Extrudieren von Kunststoffmaterialien und Kautschuken verwendet werden, aber es gibt noch viele andere Materialien, die in der neuerungsgemäßen Vorrichtung mit Vorteil behandelt und extrudiert werden können.

Beispielsweise kann Brotteig gemischt, durchgearbeitet und aus der Vorrichtung abgegeben werden. Weiterhin können Weichmacher mit Polymeren, wie z.B. Polyvinylchlorid, gemischt und durchgearbeitet werden. Die Vorrichtung kann zum Scheren und zum thermischen Abbau von Polymeren oder zum Vernetzen von Polymeren gleichzeitig mit deren Extrusion verwendet werden. Schließlich kann die Vorrichtung auch für die gleichzeitige Pfropfpolymerisation und Extrusion verwendet werden, indem während der Scherung ein Polymer, Monomer oder andere entsprechende Zusätze eingeführt werden.

Die Fig. 4 bis 9 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Extrusionseinheit 5, welche anstelle der in den Fig. und 2 dargestellten Ausführungsform verwendet werden können,

Gemäß Pig. 4 erfolgt die Zuführung des Materials durch den Trichter 2 außerhalb der Achse der Scheibe 10. Gemäß Pig.5 geschieht die Zuführung des Materials durch den Trichter 2 an der Achse der Scheibe 10, wobei die Antriebswelle 4 an der entgegengesetzten Seite der Scheibe 10 und der Austritt 15 senkrecht zur Achse der Scheibe 10 angeordnet ist.

Gemäß Fig. 6 dreht sich die Scheibe um eine vertikale Achse, während im übrigen die Einheit 5 die in Pig. 4 gezeigte Konstruktion aufweist. Auch Pig. 7 zeigt die vertikale Anordnung der Achse, die ansonsten der Pig. 5 entspricht .

Pig. 8 zeigt eine abgewandelte Porm der Scheibe 10, wobei die Oberfläche, welche die Spiralen 11 trägt, konisch ausgebildet ist. Gemäß Pig. 9 ist ein Umfangsantrieb für die Drehung der Scheibe 10 vorgesehen, wobei der Austritt 15 an der Achse der Scheibe 10 liegt.

Es ist auch möglich, die Spiralen 11 in der Gegenplatte 12 und nicht in der Scheibe 10 auszubilden, wobei iie Scheibe 10 dann eine glatte Oberfläche aufweist. Alternativ kann sovohl die Gegenplatte 12 als auch die Scheibe 10 mit entsprechend geformten Oberflächen ausgebildet sein.

Zwar ist die Scheibe 10 so dargestellt, daß sie eine Doppelepirale aufweist, es ist jedoch auch möglich, eine einzelne Spirale, eine Vielzahl von Spiralen mit sich ändernden und unterschiedlichen Geometrien, unterbrochene Spiralen und Spiralen mit nicht-spiralenförmigen Mischabschnitten und auch andere geeignete Formen zu verwenden. Die Spiralen müssen nicht unbedingt durchgehend sein.

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Die Form der Drehscheibe kann innerhalb von Grenzen verändert werden, vorausgesetzt» daß diese Formen das extrudierbare Material dazu veranlassen» im wesentlichen radial von der Achse der Scheibe aufgrund des Vorhandenseins solcher Formen und der Drehung der Scheibe zu fließen. Die Verwendung von Leitblechen der verschiedensten geeigneten Formen fällt ebenfalls in den Bereich der Neuerung. Erhobene Spiralen werden gemäß der Neuerung bevorzugt, da durch den daraus resultierenden, verhältnismäßig langen Strömungsweg des extrudierbaren Materials von der Mittr der Spirale Bum Rand der Drehscheibe das Material einer beträchtlichen ScherwirkuzLg unterworfen wird und dies in vielen Fällen bei der Extrusion und beim Mischen von Kautschuken und !Thermoplasten nützlich ist. Andere Formen und Abwandlungen eis diejenigen, die in den Zeichnungen dargestellt und hier beschrieben sind und die von Fachleuten ohne weiteres engegeben werden können, falls in den Bereich und in die frinzipien der Neuerung, solange sie zusammen mit der Drehung der Scheibe extrudierbaree Material, welches in der Kitte oder in der Nähe der Mitte der Scheibe zugeführt Wird, insgesamt in einer radialen Richtung von der Mitte fördern.

Die Neuerung schafft also eine billige und einfache Vorrichtung für die Bewirkung einer Extrusion von Thermoplasten, Kautschuken und anderen fließfähigen Medien. Die Vorrichtung benötigt w.enig Energie zur Bewirkung der Extrueion und ermöglicht gleichmäßige Abgabegeschwindigkeiten Und einen gleichmäßigen Betrieb, welche leicht zu kontrollieren sind. Die zentrifugale Pumpwirkung und die Material zuführungs- und -abführungsanordnungen unteracheiden die neuerungsgemäße Vorrichtung von bekannten Extrudern.

SCHUTZANSPRÜCHE:

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SCHÜTZANSPRÜCHE

1. Extrusionsvorrichtung mit einer Scheibe, die drehbar im Hohlraum eines stehenden Gehäuses angeordnet ist, wobei die Scheibe und das Gehäuse benachbarte zusammenarbeitende Oberflächen aufweisen, die auf das zu extrudierende Material einwirken, gekennzeichnet durch Erhebungen bzw. Ausnehmungen (11) in mindestens einer der benachbarten zusammenarbeitenden Oberflächen (10, 12), durch welche das Material auf der Scheibenoberfläche (10) während deren Rotation Scherwirkungen ausgesetzt und zu einem zentrifugalen Fluß veranlaßt wird, einen Eintritt (4), der mit dem Hohlraum in der Nähe der Achse der Scheibe (10) und der zusammenarbeitenden Oberflächen (10, 12) angeordnet ist, um zu extrudierendes Material zu den Erhebungen bzw. Ausnehmungen zu führen, und einen Austritt (15), der mit dem Hohlraum und mit den Bereichen der Scheibe (10) in Verbindung steht, die radial vom Eintritt (4) entfernt liegen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten zusammenarbeitenden Oberflächen (10, 12) im allgemeinen planparallel verlaufen und daß die Erhebungen bzw. Ausnehmungen in der Oberfläche der Scheibe (10) ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Scheibe eine konkave Schüsselform aufweist.

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4-. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , daß die benachbarten zusammenarbeitenden Oberflächen (1öf 12) im allgemeinen spiegelbildlich ausgebildet sind, und daß die Erhebungen bzw. Absenkungen (11) auf der Oberfläche der Scheibe (10) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (5) und die Scheibe (10) im allgemeinen komplementär geformt s:Lid und daß die Scheibe (10) von der Innenwand des Hohlraums (5) einen Abstand aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (10) auf der Seite, die der Arbeitsoberfläche axial gegenüberliegt, eine im allgemeinen konische Oberfläche (14) aufweist, und daß der Austritt (15) axial zum Hohlraum (5) angeordnet ist und mit dem Raum zwischen der konischen Oberfläche (14) und der benachbarten Innenwand des Hohlraums in Verbindung steht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Oberfläche (14) ebenfalls Erhebungen bzw. Ausnehmungen aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen bzw. Ausnehmungen die Form mindestens einer aufrechtetehenden Wand aufweisen, die sich r oiralenf b'rmig von der Achse der Scheibe (10) zu deren Rand (13) erstreckt,

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen bzw. Ausnehmungen (11) die Form von zwei aufrechtstehenden Wänden aufweisen, die eich spir&lenförmlg von der Achse der Scheibe (10) zu deren Rand (13) eistrecken.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9» gekennzeichnet durch einen Mechanismus für die Einstellung des Abstandes zwischen den zusammenarbeitenden Oberflächen (10, 12).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine allgemein horizontale Anordnung der Achse (4) auf der Achse der Scheibe (10), durch eine mit der Scheibe und mit einem Antriebsmechanismus (9) verbundene Welj.e, durch einen Trichter (2), durch eine Zuführschnecke (4), die der Antriebswelle zugeordnet ist und sich zwischen dem strorr abwär ti gen Ende des Trichters (2) und dem Eintritt erstreckt, und durc>. gegebenenfalls ein Drucklager, das an der Antriebswelle abseitsliegend der Scheibe (10) für die Einstellung des Ab&tandes zwischen den zusammenarbeitenden Oberflächen (10, 12) angeordnet ist.