DE968695C - Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von linearen Hochpolymeren - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Schmelzen von linearen HochpolymerenInfo
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Description
(WiGBl. S. 175)
AUSGEGEBEN AM 20. MÄRZ 1958
p 55119 VIIj29a D
ist in Anspruch genommen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen von linearen Hochpolymeren, die sich zum Verformen
in schmelzflüssigem Zustand, insbesondere zur Herstellung von Fäden eignen, sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Verarbeitung organischer Kunststoffe zu Gebilden verschiedener Art, insbesondere beim Verspinnen
von linearen Hochpolymeren zu Fäden, ist es bekannt, das feste Produkt in zerkleinertem Zustand,
z. B. in Form von Schnitzeln, auf einem beheizten Rost zu schmelzen, wobei die Geschwindigkeit
des Schmelzvorganges möglichst der Verarbeitungsgeschwindigkeit des geschmolzenen Gutes bzw.
der Spinngeschwindigkeit gleich sein soll, damit sich jeweils nur eine möglichst kleine Menge des
Produktes in geschmolzenem Zustand befindet.
Mit den bekanntgewordenen Vorrichtungen läßt sich diese Absicht nur höchst unvollkommen verwirklichen.
Da nämlich die Abmessungen und damit die Heizfläche des Schmelzrostes unveränderlich
gegeben sind und seine Temperatur während des Schmelzvorganges aus naheliegenden Gründen
konstant ist, so ist die in der Zeiteinheit abgeschmolzene Menge des Produktes ebenfalls praktisch un-
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veränderlich, während jedoch der Verbrauch an Schmelzgut großen Schwankungen unterliegt. Diese
Schwankungen sind bedingt nicht nur durch die verschiedene Dicke der Fäden, Folien oder Filme
usw., sondern auch durch die in weiten Grenzen wechselnde Spinngeschwindigkeit. Dazu kommen
unfreiwillige Unterbrechungen des Spinnvorganges, welche z. B. beim Wechseln der Düsen entstehen.
Es ist eine Vorrichtung bekanntgeworden, welche ίο sich diesen Verbrauchsschwankungen automatisch
dadurch anpaßt, daß bei abnehmendem Verbrauch an Schmelzgut und steigendem Flüssigkeitsspiegel
der Schmelze die Oberfläche des Schmelzrostes mehr oder weniger hoch durch die geschmolzene Flüssigkeit
bedeckt und dadurch die Schmelzleistung herabgesetzt wird. Aber gerade bei diesem Vorgang
kommt die geschmolzene Masse noch kürzere oder längere Zeit mit der überhitzten Heizfläche des
Rostes in Berührung und ist dadurch in besonderem Maße schädlichen Einflüssen, insbesondere der Zersetzung
unter Bildung von Gasblasen, ausgesetzt.
Bei einer bekannten Vorrichtung zur Durchführung" von Polymerisationsvorgängen wird monomeres
Ausgangsmaterial in einer Schmelzkammer geschmolzen und in schmelzflüssigem Zustand unter
Druck einer Polymerisationsschlange zugeführt, an deren oberem Ende die bei der Polymerisation entstandenen
dampfförmigen Produkte entweichen, während der flüssige Anteil durch ein Füllrohr zu
einem kleinen, unter Vakuum stehenden Sammelbehälter geleitet wird, von dem er zur Spinnpumpe
gelangt, wobei die Menge des der Polymerisationsschlange zugeführten Monomeren in Abhängigkeit
von der Menge an gebildetem Polymerisat gesteuert wird. Abgesehen davon, daß es sich bei dieser Arbeitsweise
nicht um das Schmelzen eines bereits polymerisierten Gutes handelt, ein Vorgang, bei dem
keinerlei flüchtige Produkte entstehen, ist bei der bekannten Vorrichtung auch keine Anpassung an die
Verbrauchsschwankungen vorgesehen.
Bei einer bekannten Vorrichtung zum Schmelzen von Hochpolymeren fällt das Polymerisat ,aus einem
Beschickungstrichter in einen von einem Heizmantel umgebenen, auf einer Temperatur etwas oberhalb
des Schmelzpunktes des Polymerisats gehaltenen Druckzylinder, in welchem es unter dem Druck eines
in dem Zylinder geführten Kolbens und unter Einwirkung der dem Zylinder zugeführten Wärme geschmolzen
wird. Nach beendetem Schmelzvorgang wird die geschmolzene Masse durch öffnen eines
Ventils in einen Vorratsbehälter abgelassen, worauf nach Schließen des Ventils ein neuer Schmelzvorgang
innerhalb des Druckzylinders erfolgt. Das Schmelzen in dem Druckzylinder führt leicht dazu,
daß die geschmolzene Masse die Kolbenführung verschmiert, so daß eine einwandfreie Förderung des
Gutes nicht gewährleistet ist. Eine Regelung des Schmelzvorganges in Anpassung an die Verbrauchsschwankungen erfolgt auch bei dieser Vorrichtung
nicht.
Die Erfindung schlägt nun vor, das Schmelzen von linearen Hochpolymeren so durchzuführen, daß
man das zerkleinerte feste Gut in gleichen Anteilen diskontinuierlich in verschieden großen Zeitabständen
einer Schmelzkammer zuführt und dort einem Schmelzvorgang unterwirft, die Schmelze sofort
aus der Schmelzzone in einen Sammelraum überführt und anschließend verformt, insbesondere verspinnt,
wobei die Beschickung der Schmelzkammer in Abhängigkeit von dem im Sammelraum vorhandenen
Vorrat an geschmolzenem Gut durch ein besonderes Steuerorgan geregelt wird.
Da der Schmelzraum diskontinuierlich beschickt wird und das Schmelzen dementsprechend gleichfalls
diskontinuierlich vor sich geht, während der Verbrauch an Schmelzgut kontinuierlich erfolgt, ist
bei diesem Verfahren die geschmolzene Menge des Produktes stets größer als die in der gleichen Zeiteinheit
(z. B. in der Spinnvorrichtung) verarbeitete Menge an geschmolzenem Gut.
Um einen festen Körper, gleich welcher Art, zum Schmelzen zu bringen, muß er Temperaturen ausgesetzt
werden, welche über seinem Schmelzpunkt liegen, und zwar wird die Schmelzgeschwindigkeit
um so größer sein, je höher die angewandte Temperatur über dem Schmelzpunkt des Körpers liegt. So
ist es auch bereits als wünschenswert erkannt und beschrieben worden, hochpolymere, zum Verformen
in schmelzflüssigem Zustand geeignete Kunststoffe zur Beschleunigung des Schmelzvorganges bei einer
wesentlich über dem Schmelzpunkt liegenden Temperatur der Heizfläche zu schmelzen und die
Schmelze sodann vor ihrer Weiterverarbeitung abzukühlen. Ein hierfür geeignetes Verfahren oder
eine Vorrichtung zu diesem Zwecke wurden jedoch bisher nicht angegeben.
Während somit die erwünschte Beschleunigung des Schmelzvorganges die Anwendung möglichst
hoher Temperaturen nahelegt, ist es bekannt, daß die meisten schmelzbaren Hochpolymeren gegen
Temperaturen wesentlich über ihrem Schmelzpunkt empfindlich sind, indem sie der Gefahr chemischer
und physikalischer Veränderungen verschiedener Art unterliegen, z. B. durch unerwünschte Fortsetzung
eines Polymerisationsvorganges oder durch Prozesse entgegengesetzter Art, welche zu einer
meist unerwünschten Abnahme der Viskosität führen. Aus diesem Grunde wird erfindungsgemäß das
geschmolzene Gut so rasch wie möglich aus dem Schmelzraum entfernt und der weiteren übermäßigen
Wärmezufuhr entzogen, und zwar dadurch, daß das Material stetig im Maße des Schmelzens unmittelbar
in den Sammelraum abtropft. Demgegenüber kann bei der erwähnten bekannten Vorrichtung
mit Druckzylinder das geschmolzene Gut erst nach öffnen eines Ventils aus dem Zylinder austreten.
Eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung besteht aus einer
in beliebiger Weise beheizten Schmelzkammer, die an ihrem tiefsten Punkt durch eine öffnung mit dem
Sammelraum in Verbindung steht, aus welchem die Schmelze der Weiterverarbeitung zugeführt wird,
sowie aus einem mit einem Füllraum versehenen hin- und hergehenden Beschickungskolben, der um
r8o° drehbar ist und durch seine Bewegung und Drehung das in den Füllraum eingebrachte feste
Gut in die Schmelzkammer entleert, wobei die Verschiebung und Drehung des Kolbens durch den im
Sammelraum vorhandenen Vorrat an geschmolzenem Gut durch ein besonderes Steuerorgan geregelt
werden.
Im Gegensatz zu der bekannten, mit einem Druckzylinder ausgestatteten Vorrichtung wird das zu
schmelzende Gut in fester Form in der Kälte der Schmelzkammer zugeführt, so daß ein Weichwerden
ίο und Verschmieren des Materials ausgeschlossen ist.
Zweckmäßig ist der Beschickungskolben in einem außerhalb des Schmelzraumes befindlichen Zylinder
geführt, der zusätzlich noch durch einen Kühlmantel oder bzw. und einen isolierenden Zwischenring
gegen jede Wärmezufuhr von der Schmelzkammer geschützt sein kann.
Es ist bekannt, daß sich die hochpolymeren Kunststoffe, die durchweg schlechte elektrische Leiter
sind, im elektrischen Hochfrequenzwechselfeld erhitzen und zum Schmelzen bringen lassen. Hiervon
läßt sich mit Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in der Weise Gebrauch machen, daß
man das zu schmelzende Gut in der Schmelzkammer zwischen zwei Elektroden einem Hochfrequenz-Wechselfeld
aussetzt und die gebildete flüssige Schmelze am tiefsten Punkt der Schmelzkammer
kontinuierlich entfernt. Dabei kann die Vorrichtung so ausgestaltet sein, daß zwischen den beiden innerhalb
der Schmelzkammer unter dem Beschickungskolben vorgesehenen, vorzugsweise scheibenförmigen
Elektroden ein zylindrischer Behälter aus nichtmetallischem Werkstoff angeordnet ist, der oben mit
einem Einfülltrichter und unten mit einer Abflußöffnung für das geschmolzene Gut versehen ist. An
der Wandung dieses Behälters sinkt die Schmelze im Maße ihrer Bildung nach unten und tritt durch
die Abflußöffnung in die Schmelzkammer aus, wobei sie zugleich aus dem Bereich des elektrischen Feldes
gelangt.
Während des Schmelzvorganges werden die Wandungen des Behälters so hoch erhitzt, daß beim Einfüllen
der nächsten Charge des festen Produktes bisweilen Schwierigkeiten durch Anhaften von
Stückchen oder Körnern an der Wandung entstehen.
Es ist daher zweckmäßig, die Wandungen des Behälters zwischen zwei Beschickungsspielen durch
Anblasen mit einem Luft- oder Gasstrom mindestens unter die Schmelztemperatur des festen Produktes
abzukühlen.
Das Verfahren nach der Erfindung und die zugehörige Vorrichtung eignen sich für alle schmelzbaren
und durch Wärmezufuhr zu verflüssigenden Produkte, vorzugsweise für organische Kunststoffe
aller Art, insbesondere Hochpolymere der Gattung der Polyamide, Polyäthylene, Polyvinyle, Polystyrole
und der Abkömmlinge der Polyacrylsäure. Die Körper derselben Kunststoffklassen können entweder
für sich oder in beliebigen geeigneten Mischungsverhältnissen vorliegen.
Den festen Produkten können, wie dies an sich bekannt ist, auch andere feste organische oder anorganische
Stoffe zugemischt sein, sofern sie bei der jeweiligen Temperatur des Schmelzvorganges nicht
verdampfen oder sich verflüchtigen, wobei diese Stoffe selbst während des Schmelzvorganges entweder
mit dem Hauptprodukt in Reaktion treten oder nur als mechanische Beimischung beteiligt sein
können.
Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung gehen aus nachstehender Beschreibung im Zusammenhang
mit der schematischen Zeichnung hervor. In dieser zeigen die
Fig. ι und 2 einen Längsschnitt durch eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
geeignete Schmelzvorrichtung bzw. einen Querschnitt durch einen Teil dieser Vorrichtung, die
Fig. 3 bis 6 das Bewegungsspiel des Beschickungskolbens und die
Fig. 7 und 8 einen Längs- und Querschnitt der mit einem elektrischen Hochfrequenzwechselfeld arbeitenden
Ausführungsform der Schmelzvorrichtung.
Bei der in Fig. 1 bis 6 gezeichneten Vorrichtung bedeutet 1 den geschlossenen Schmelzraum, in welchem
eine über dem Schmelzpunkt des organischen Produktes liegende Temperatur herrscht. Das
Schmelzen des Produktes kann unter Benutzung aller bekannten physikalischen Möglichkeiten erfolgen,
sei es durch Erhitzung der Außenwandung des Schmelzraumes mittels eingegossener Dampfschlangen,
wie dargestellt, sei es durch elektrische Beheizung der Kammer von außen mittels Widerstandsdrahtbewicklung,
durch Induktionsheizung (Wirbelstromheizung) der Schmelzkammerwandung, durch elektrische Hochfrequenzheizung der organischen
Masse selbst oder durch Wärmezufuhr zur Masse mittels Infrarotstrahlung.
Der so beschriebene Schmelzraum 1 wird in aperiodischen Abständen vermittels eines hin- und
hergehenden Kolbens 2 beschickt, in welchem eine öffnung 3 ausgespart ist, die das zerkleinerte Füllgut
aufnimmt.
Je nach den gegebenen Umständen kann das organische Produkt in stückiger Form, in Form von
Schnitzeln oder Spänen, Granalien oder als Pulver der Schmelzkammer zugeführt werden. Der KoI-ben
2 ist in einem Zylinder 4 außerhalb des Schmelzraumes geführt und vermittelt gleichzeitig die Abdichtung
des Schmelzraumes nach außen. Der Zylinder hat an seinem dem Schmelzraum benachbarten
Ende einen in der Regel kreisrunden, nach no oben konisch erweiterten Ausschnitt 5, auf welchen
ein Behälter 6 aufgesetzt ist, der zur Aufnahme des
Vorrates an zerkleinertem, festem Produkt dient. Die kreisrunde Quex-bohrung 7 im Kolben 2 entspricht
dieser öffnung im Zylinder 4 derart, daß bei passender Stellung der Bohrung 7 genau unter dem
Ausschnitt 5 der Raum 3 sich mit zerkleinerter fester Masse füllen kann. Von dieser Stellung (a in
Fig. 3) ausgehend, bewegt sich der Kolben in den Schmelzraum hinein, bis die Mittelachse der Öffnung
7 über Mitte Schmelzraum steht (Stellung b in Fig. 4). Hierauf wird der Kolben um i8o° nach
unten gedreht (Stellung c in Fig. 5), so daß der Inhalt des Behälterraumes 3 auf die Bodenfläche des
Schmelzraumes entleert wird. Hierauf bewegt sich der Kolben in Achsenrichtung zurück (Stellung d in
Fig. 6) und gelangt durch Drehung nach oben um i8o° wieder in die Ausgangsstellung (Stellung« in
Fig. 3). Auf einen Impuls, der von einem besonderen Steuerorgan abhängig vom Stand der Schmelze
im Sammelraum io gegeben wird, beginnt das Kolbenspiel von neuem in denselben vier Takten, wie
oben beschrieben. Die Maßnahmen zur Steuerung der Bewegung des Kolbens sind nicht Gegenstand
dieser Erfindung. Alle bekannten kinematischen Getriebe können Verwendung finden.
Nach Beendigung des Beschickungsvorganges beginnt sofort das Schmelzen der Masse in der
Schmelzkammer mittels einer der oben angeführten Methoden. Das Schmelzgut sammelt sich am Boden
der Kammer und läuft durch die Öffnung 9 in den Sammelraum 10, von wo es kontinuierlich den Verbrauchsstellen
(Spinn- oder Gießvorrichtungen usw.) z. B. durch eine Leitung 11 zugeführt wird.
Um eine übermäßige Wärmeübertragung von der Schmelzkammer durch den Kolben 2 auf den Zylinder
4 zu vermeiden, kann dieser Zylinder erforderlichenfalls mit einem Kühlmantel 12 versehen werden,
der von Wasser 13 durchströmt wird. Dem gleichen Zwecke der Verminderung des Wärmeüberganges
dient auch der Zwischenring 8 aus einem der bekannten isolierenden Baustoffe.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 und 8 bezeichnet ι ebenfalls den geschlossenen Schmelzraum,
in den mittels des Kolbens 2 aperiodisch das zu schmelzende Produkt in zerkleinerter .Form eingebracht
wird, das sich in einer Aussparung 3 des Kolbens befindet. In der in Fig. 7 und 8 gezeichneten Stellung
ist der Füllraum 3 infolge Drehung des Kolbens 2 um i8o° bereits nach unten entleert, und
zwar in einen zylindrischen Behälter 14, der oben zu einem trichterförmigen Aufsatz 15 erweitert ist, um
eine einwandfreie Füllung des Inneren zu ermöglichen. Der Werkstoff des Behälters ist ein elektrischer
Nichtleiter, z. B. Glas, Steinzeug oder Porzellan. An seiner tiefsten Stelle hat der Behälter 14 eine
oder einige kreisrunde oder schlitzartige öffnungen 16, welche abhängig von der Korngröße des festen
Produktes so bemessen sind, daß sie zwar den Durchtritt der Flüssigkeit erlauben, die zerkleinerten
Stücke des festen Körpers jedoch zurückhalten. Den beiden Stirnwänden des Behälters 14 gegenüber
sind Scheibenelektroden 17 in gleichen geringen Abständen von der Behälterwand angebracht,
zwischen denen das elektrische Wechselfeld von hoher Frequenz pulsiert.
Die Spannung wird diesen Elektroden durch Metallrohre 18 zugeführt, welche z. B. mittels Winkelringen
19 mit den Elektroden verbunden sind. In das offene Ende der Rohre 18 ragen beiderseits Zapfen
20 des Behälters 14, mittels welcher dieser Behälter zugleich zentriert und unterstützt wird, wobei
eine geeignete Sicherung gegen Drehung des Behälters um die horizontale Achse getroffen ist, indem
z. B. die Zapfen 20 und die Rohrenden 18 nicht rund, sondern als Vierkant ausgebildet sind. Die
Zuleitungsrohre 18 sind beim Durchtritt durch das metallische Gehäuse der Schmelzkammer 1 durch
Porzellanbüchsen 21 isoliert.
Die geschmolzene Flüssigkeit sammelt sich am Boden der Schmelzkammer 1, aus der sie durch die
Öffnung 22 austritt.
Claims (10)
- PATENTANSPRÜCHE:I. Verfahren zum Schmelzen von linearen Hochpolymeren, die sich zum Verformen, insbesondere zum Verspinnen zu Fäden, in schmelzflüssigem Zustand eignen, dadurch gekennzeichnet, daß man das zerkleinerte feste Gut in gleichen Anteilen diskontinuierlich in verschieden großen Zeitabständen einer Schmelzkammer zuführt und dort einem Schmelz Vorgang unterwirft, die Schmelze sofort aus der Schmelzzone in einen Sammelraum überführt und anschließend verformt, insbesondere verspinnt, wobei die Beschickung der Schmelzkammer in Abhängigkeit von dem im Sammelraum vorhandenen Vorrat an geschmolzenem Gut durch ein besonderes Steuerorgan geregelt wird.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem festen, dem Schmelzraum zugeführten Produkt andere organische oder anorganische Stoffe beigemischt sind, welche während des Schmelz Vorganges mit dem Hauptprodukt in chemische Reaktion treten oder nur als mechanische Beimischung dienen.
- 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzgut in der Schmelzkammer zwischen zwei Elektroden einem Hochfrequenzfeld ausgesetzt und die gebildete flüssige Schmelze am tiefsten Punkt des Behälters kontinuierlich entfernt wird.
- 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine in beliebiger Weise geheizte Schmelzkammer (1), die durch eine Öffnung (9 bzw. 19) an ihrem tief sten Punkt mit einem Sammelraum (10) in Verbindung steht, aus welchem die Schmelze beispielsweise mittels der Leitung (11) der Weiterverarbeitung zugeführt wird, sowie einen mit Füllraum (3) versehenen hin- und hergehenden Kolben (2), der um i8o° drehbar ist und durch seine Bewegung und Drehung das zugeführte feste Gut in die Schmelzkammer (1) entleert, wobei die Verschiebung und Drehung des Kolbens durch den im Vorratsraum (10) vorhandenen Vorrat an geschmolzenem Gut durch ein besonderes Steuerorgan geregelt wird.
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (2) in einem außerhalb des Schmelzraumes befindlichen Zylinder (4) drehend gleitet, welcher durch den Kolben (2) gegen den Schmelzraum (r) abgedichtet ist.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) eine trichterförmige Öffnung (5) aufweist, über der sich ein Vorratsbehälter (6) zur Aufnahme des festen, zerkleinerten Ausgangsmaterials befindet, während der Kolben (2) eine Querbohrung mit dem Füllraum (3) aufweist, die in ihrem Querschnittdem unteren Durchmesser der Trichteröffnung (15) entspricht.
- 7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) durch einen Kühlmantel (12) und/oder durch einen isolierenden Zwischenring (8) gegen Wärmezufuhr von der Schmelzkammer (1) geschützt ist.
- 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Schmelzkammer (1) unter dem Kolben (2) zwei Scheibenelektroden (17) und zwischen diesen ein zylindrischer Behälter (14) aus nichtmetallischen Werkstoffen mit einem oberen Einfülltrichter (15) und einer unteren Abflußöffnung (16) für das geschmolzene Produkt angeordnet ist.
- 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (14) mit Hilfe zweier Zapfen (20) in die Enden der metallischen rohrförmigen Zuleitungen (18) für die Hochfrequenzwechselspannung eingehängt ist.
- 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (18) gegen die Wandung der Schmelzkammer (1) beispielsweise durch Porzellanbüchsen (21) isoliert sind.In Betracht gezogene Druckschriften:Französische Patentschriften Nr. 903978, 8857S9;USA.-Patentschrift Nr. 2389655;Buch »Prinziples of High-Polymer, Theory and Practise«, New York, 1948, S. 340, 341;Buch von T. S. C ar sw ell, »Phenoplasts«, New York, 1947, S. 241.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 709 905/58 3.58
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