NO310762B1 - Fremgangsmåte for utförelse av kontinuerlige behandlingsprosesser med tett i hverandre löpendedobbeltsnekkeekstrudere med samme rotasjonsretning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for utførelse av kontinuerlige behandlingsprosesser med tett i hverandre løpende dobbeltsnekkeekstrudere med samme rotasjonsretning, som angitt i innledningen til krav 1.

Ekstrudere med to snekker og ekstrudere av skruetypen med flere aksler der snekkene og skruene løper tett sammen med samme rotasjonsretning blir benyttet til kontinuerlige elteprosesser med eller uten oppsmelting. Ved dette blir også ofte kontinuerlige avgassings-, blande- og ekspansjonsforløp integrert og i enkelte tilfeller blir ekstruderen også tatt i bruk for reaksjoner.

Produkter som kan bearbeides omfatter kunststoffer, trege plastiske masser, pulver- og fiberformede tilsatsstoffer såvel som masser for fødevarer. Utmatingen kan som eksempel finne sted over filter- eller formgivningsprosesser som granulering eller profil-ekstrudering.

Det er kjent ekstrudere av denne art der snekkediameteren kan gå opptil 340 mm. Ytelsene ligger fra 5.000 til 35.000 kg/time ved et forhold mellom snekkens ytre diameter og snekkens indre diameter (Da/D;) på 1,18 til 1,25 resp. fra 1,4 til 1,6. Forholdet mellom dreiemoment og akselavstand<3> (Md/a<3>) - den såkalte "dreiemomenttetthet" - har verdier mellom 5 og 10. Alt etter størrelsen på ekstruderen ligger omdreiningstallene fra 200 til 500 omdreininger pr. minutt - unntagelsesvis også opptil 600 omdreininger pr. minutt.

Utformningen av ekstrudere følger vanligvis prinsippet med geometrisk likhet og likhet knyttet til dreiemomentet. Geometrisk likhet består når forholdet Da/D; er konstant; likhet vedrørende dreiemoment består når forholdet Md/a<3> er konstant.

En utslagsgivende faktor for kvaliteten på dispergering, blanding og homogenisering av de bearbeidede produkter er - i tillegg til smeltetemperatur og oppholdstid - skjærhastigheten i smeltefylte snekkekanaler.

For mange prosesser gjelder det at kvaliteten på blanding, dispergering og homogenisering blir desto høyere jo høyere skjærhastigheten er. Ved den nuværende teknikkens stand når det gjelder ekstruderere er ved standard behandlingsprosesser middels skjærhastigheter i smelteområdet vanlig fra 20 til 150 l/sek og midlere oppholdstid for produktene i det samlede snekkeområdet vanlig fra 15 til 60 sekunder. Ved tilgjengelige ekstrudere blir de midlere skjærhastigheter begrenset oppad av snekkens omdreiningstall og av forholdet Da/Di. Ved stigende skjærhastigheter oppstår det imidlertid også høyere spesifikke verdier for energitilførsel, noe som kan føre til uakseptable høye smeltetemperaturer. Sammen med store midlere oppholdstider for produktet i ekstruderen kan dette føre til produktbeskadigelser som fører til redusert kvalitet og da særlig ved termisk nedbrytning og tverrbinding.

Fra JP-A-05116140 er det kjent en kontinuerlig biaksiell ekstrusjonselter, som arbeider med omdreiningstall inntil 1.300 omdreininger pr. minutt og en utløpstemperatur på harpiksen som skal bearbeides inntil 320°C. På grunnlag av prosessen fremstilt i dette dokumentet vedrører publikasjonen en motløpende dobbeltsnekkeekstruderer som ikke griper tett i hverandre.

Artikkelen av Fumio Aida in "JAPAN PLASTICS", bind 9, nr. 1, januar 1975, Tokyo, sidene 18-25 "Investigation of Ultra-High Speed Extruder Based on Entirely New Design Concept" beskriver en fremgangsmåte som gjennomføres med en enakslet ekstruderer. Her anvendes et snekkeomdreiningstall på inntil 1000 omdreininger pr. minutt. I prinsippet er imidlertid ikke enakslede ekstruderere sammenlignbare med flerakslede snekkeekstruderere. I så måte er det nevnte dokumentet kun teknologisk bakgrunn og trenger ingen dypere forklaring.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er å komme frem til kvalitetsøkende midlere områder for skjærhastighet inntil > 1000 l/sek. ved samtidig forkortning av innvirkningsvarigheten fra temperaturtopper i produktet uten at de allerede beskrevne vanskeligheter kan opptre.

Dette formål blir løst ved at ekstruderen drives med et snekkeomdreiningstall på minst 600 omdreininger pr. minutt ved samtidig økning av den såkalte "dreiemomenttetthet" pr. snekke (Md/a<3>) som innføres på minst 11 Nm/cm<3>, der a er avstanden (cm) mellom snekkeaksene.

Ifølge oppfinnelsen er det således tilveiebragt en fremgangsmåte som angitt i innledningen til de medfølgende krav. Fremgangsmåten er således kjennetegnet ved de karakteriserende trekk som angitt i krav 1. Foretrukne trekk fremgår av de medfølgende krav 2-7.

Ved den ifølge oppfinnelsen valgte forhøyede dreiemomenttetthet (Md/a<3>) på minst 11 Nm/cm<3> kan ekstruderen uten videre drives med det høye omdreiningstall for snekken uten at dette gir en utillatelig høy spesifikk energiinnføring. Som ytterligere fordel oppnås det en meget høyere produktytelse pr. tidsenhet.

Produktets oppholdstid i ekstruderen ligger fortrinnsvis under 10 sekunder.

I en ytterligere utførelse av oppfinnelsen blir ekstruderen drevet med et snekkeomdreiningstall på opptil 3000 rpm ved samtidig økning av den såkalte "dreiemomenttetthet" (Md/a<3>) som kan innføres, opptil 15 Nm/cm<3> og en forholdlde (Da/D;) lik 1,55 eller mer og en midlere oppholdstid for produktet på mindre enn 2 sekunder. Ved dette oppnås det - ved den nu mulige høye ytelse - særlig lave (midlere) oppholdstider i ekstruderen for produktet.

De lave oppholdstider for produktet på 1 til 10 sekunder som oppnås med det høye omdreiningstall for snekkene og den høye produktytelse reduserer samtidig tilbøyeligheten til termisk nedbrytning og til tverrbinding av produktet.

En økning av snekkenes omdreiningstall er mulig innenfor bestemte grenser også uten en økning av dreiemomenttettheten (Md\a<3>). Ved den maksimale øvre grense som foreligger for enhver fremgangsmåte når det gjelder den angitte energiinnføring som svarer til den maksimale godtagbare smeltetemperatur (uten at det oppstår skader på produktet) blir imidlertid det maksimale omdreiningstall for snekkene begrenset. Ved utformingen ifølge oppfinnelsen av fremgangsmåten som her er beskrevet blir ytterligere anvendelsesområder innbefattet.

Således kan fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen anvendes for eksempel til kontinuerlig forhåndsblanding i faststoff-transportområdet og til maling av grovkornet rislegods til pulver. Også en kombinasjon av de to tidligere nevnte prosesser er mulig, altså en homogeniseringsprosess for faste stoffer som krever betydelig mindre energi sammenlignet med homogenisering i plastisk fase.

En anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved reaksjonsmaskiner blir muliggjort ved en effektiv forhåndsblanding av monomefe og katalysator før reaksjonen i inkubasjonstiden.

En ytterligere fordel ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen består i at for eksempel pigmenter kan dispergeres vesentlig bedre ved fremstilling av hovedmengder.

I det følgende blir oppfinnelsen forklart med grafiske fremstillinger. Her viser

figur 1 "midlere spesifikk energiinnføring",

figur 2 "masseytelse og midlere oppholdstid for produktet i ekstruderen".

Forsøk med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ble utført med tilgjengelige ZSK-maskiner (toakslet snekkeelter med tett sammenløpende snekkeaksel med samme rotasjonsretning) der oppbygning av maskinen (snekkegeometri, blande- og elte-elementer) ble belastet slik som de tidligere ble belastet for behandling av kunststoffer med vanlige omdreiningstall på 200 til 400 omdreininger pr. minutt.

Ved forsøkene ble snekkeomdreiningstallene kjørt opp til langt over 1000 rpm, og det ble da overraskende fastslått at ved samtidig økning av de innførte dreiemomenttettheter til 11 til 14 Nm/cm<3> oppsto det ingen vesentlig økning i massetemperaturen. Selv ved økning av massetemperaturen (for eksempel PC > 350°C) til uvanlig høye smeltetemperaturer oppsto det ingen skader på produktet da oppholdstiden i ekstruderen i henhold til oppfinnelsen ligger langt under 10 sekunder.

Figur 1 viser skjematisk sammenhengen mellom snekkeomdreiningstall (snekke-hastighet) og den spesifikke energiinnføring for forskjellige dreiemomenttettheter Md/a<3>. Under forutsetning av at det dreiemoment som står til rådighet utnyttes fullt ut oppnås

det med stigende dreiemomenttetthet (ved konstant omdreiningstall) høyere ytelser. Man erkjenner at dette ved høyere dreiemomenttetthet resulterer i mindre energiinnføringer og dermed også lavere smeltetemperaturer. På den annen side kan det sees at en økning av snekkeomdreiningstallet generelt også fører til en høyere masseytelse, men ved dette er imidlertid dreiemomenttettheten forbundet med en høyere energiinnføring.

På figur 2 er avhengigheten mellom ytelse og oppholdstid vist. Her vises det tydelig at med økende ytelse blir den tid i løpet av hvilken materialet blir utsatt for høye temperaturer, tydelig redusert.

Gjennomførte forsøk har vist at også en massetemperatur som ifølge tidligere erfaringer måtte føre til en reduksjon av produktets kvalitet ikke får kvaliteten nedsatt ved ti.: rekkelig kort påvirkningsvarighet. Tilstrekkelig korte oppholdstider lar seg imidlertid bare oppnå med økte ytelser som på sin side bare kan realiseres ved en økning av det mulige dreiemoment da maskinens arbeidsytelse ellers ikke lenger vil være tilstrekkelig ved gitte (høyere) omdreiningstall.

Av figur 1 fremgår det også at uten økning av dreiemomenttettheten er en økning av omdreiningstall mulig innenfor bestemte grenser. Den maksimale øvre grensen som er knyttet til enhver fremgangsmåte når det gjelder den spesifikke energiinnføring (cpecmaks, den maksimale godtagbare smeltetemperatur uten produktbeskadigelse ved en på forhånd angitt oppholdstid) begrenser dette omdreiningstall.

De maskiner som i dag er tilgjengelige har som regel Da/D;-verdi mellom 1,4 og 1,6 såvel som Md/a<3->verdi mellom 5 og 10. Omdreiningstallene for driften vil alt etter konstruksjonens størrelse ligge mellom 200 og 500 omdreininger pr. minutt, og i unntagelsestilfeller også opptil 600 omdreininger pr. minutt.

Ytelsen og kvaliteten på det sammensatte produkt avhenger derved av den anvendte snekkegeometri, omdreiningstallet og maskinens maksimale dreiemoment.

Hver sammensetning har som mål et homogent sluttprodukt - som regel under innarbeidelse av tilslagsstoffer. Tilslagsstoffene og tilstedeværende uhomogeniteter må derfor i maskinen bli dispergert og innblandet fordelt. Til oppdeling av partikler er mer eller mindre store skyvespenninger nødvendige, som må overføres til partiklene ved hjelp av den omgivende matrise. Skyvespenningen x fremgår av ligningen

der rj er viskositeten for matrisemediet og der V" er den tvungne skjærhastighet. En bestemmende faktor for kvaliteten på dispergering, blanding og homogenesering av det bearbeidede produkt er derfor i tillegg til smeltetemperatur og oppholdstiden skjærhastigheten Y [l/sek] i den smeltefylte snekkekanal.

Betrakter man dette forenklet som middelverdi fra kvotienten snekkeomkrets-hastighet/gjengedybde så gjelder (under forutsetning av 100% fyllingsgrad i snekke-kanalen): eller

For mange prosesser gjelder: Jo høyere skjærhastighet desto høyere er kvaliteten på blanding, dispergering og homogenisering. Ved den nuværende teknikkens stand vedrørende ekstruderere ligger ved standardbehandlingsprosesser midlere skjærhastigheter i smelteområdet fra 20 l/s til 150 l/s og midlere produktoppholdstider i det samlede snekkeområdet er vanlig fra 15 til 60 sekunder.

Ved eksisterende ekstrudere blir de midlere skjærhastigheter som fremgår av ligning (2) begrenset oppad av snekkens omdreiningstall og "volumfylden" som er kjennetegnet ved Da/Di.

Ved stigende skjærhastigheter fremkommer forholdet

resp.

men også høyere verdier på den spesifikke energiinnføring espec, noe som igjen kan føre til uakseptable høye smeltetemperaturer, da temperaturøkningen på smeiten kan beregnes ut fra ligningen AT = espec/Cp (Cp = spesifikk varmekapasitet). Sammen med store midlere oppholdstider for produktet i ekstruderen kan også en høyere skjær-hastighet føre til kvalitetssenkende skader på produktet (termisk nedbrytning eller tverrbinding).

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen med dobbeltsnekkeekstrudere ved lik omdreiningsretning med snekkeomdreiningstall på 600 til 3000 rpm sammen med økning av den innførte dreiemomenttetthet på 11 til 15 Nm/cm<3> kan kvalitetsøkende midlere skjærhastighet opptil 1000 l/s realiseres med samtidig forkortning av varigheten av temperaturtoppers innvirkning på produktet.

Anvendte betegnelser:

<e>spec midlere spesifikk energiirinføring (kwh/kg)

F midlere oppholdstid for produktet i ekstruderen (s)

p smeltetetthet (kg/m<3>)

y midlere skjærhastighet (l/sek)

X\ midlere dynamisk viskositet (Pa sek)

Da snekkens utvendige diameter (mm)

snekkens innvendige diameter (mm)

h gjengedybde, gjennomsnitt

n snekkeomdreiningstall [min"<1>] ([s"<1>])

s

Md, akseldreiemoment målt på en aksel (Nm)

a akselavstand for snekkeakslene (cm)

vu omkretshastighet for snekkeakslene (m/s)

Md/a3 Dreiemomenttetthet gjelder 1 aksel (Nm/cm<3>)

T Skyvspenning (Nm/mm)

cp spesifikk entalpi (kJ/kg*K)

m Masseytelse (kg/time)

AT massetemperaturøkning (K)

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for utførelse av kontinuerlige behandlingsprosesser med tett i hverandre løpende dobbeltsnekke-ekstrudere som roterer på samme måte og som har et forhold Da/D;, som snekkens ytre diameter Da oppviser på snekkens indre diameter D;, som er i området mellom 1,4 og 1,6 , karakterisert ved at dobbeltsnekke-ekstruderen drives med et snekkeomdreiningstall på minst 600 omdreininger pr. minutt, ledsaget av en samtidig økning av den såkalte "dreiemomenttethet" pr. snekke Md/a<3> som kan innføres på minst 11 Nm/cm<3>, der a er avstanden (cm) mellom snekkeakselenes sentre.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forholdet Da/Di3 som snekkens ytre diameter Da oppviser på snekkens indre diameter D;, er i området mellom 1,5 og 1,6.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den midlere oppholdstid for produktet ligger i området mellom 1 til 10 sekunder.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ekstruderen drives med et snekkeomdreiningstall på opptil 3000 omdreininger pr. minutt, ledsaget av en samtidig økning av den såkalte "dreiemomenttetthet" Mj/a<3> som kan innføres opp til 15 Nm/cm<3> og et forhold Da/Di, som snekkens ytre diameter Da oppviser på snekkens indre diameter Di; som er mellom 1,55 og 1,6 og en midlere oppholdstid for produktet på mindre enn 2 sekunder.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ekstruderen drives med et snekkeomdreiningstall på minst 800 omdreininger pr. minutt.

6. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge ett eller flere av kravene 1-5, karakterisert ved at fremgangsmåten anvendes til kontinuerlig blanding i faststofftransportområdet og/eller til maling av grovkornet rislegods til pulver.

7. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge krav 6, karakterisert v e d at pigmenter innblandes ved fremstilling av hovedmasse.