PL196386B1

PL196386B1 - Multiple-screw extrusion machine

Info

Publication number: PL196386B1
Application number: PL345869A
Authority: PL
Inventors: Joachim Stasiek
Original assignee: Inst Przetworstwa Tworzyw Sztu
Priority date: 2001-02-13
Filing date: 2001-02-13
Publication date: 2007-12-31

Abstract

1. Wytłaczarka wieloślimakowa wyposażona w układ uplastyczniający składający się z cylindra i umieszczonych w tym cylindrze kilku, a korzystnie dwóch zazębiających się ślimaków o budowie segmentowej, z których każdy posiada w kierunku przepływu tworzywa kolejno strefy: uplastyczniania, odgazowania i dozowania, przy czym strefa uplastyczniania zawiera odcinki: zasilania, wstępnego sprężania i podgrzewania, wstępnego uplastyczniania oraz intensywnego uplastyczniania, znamienna tym, że ślimaki (2) na długościach odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania (7) oraz wstępnego uplastyczniania (8) posiadają redukcję objętości kanałów względem kanałów odcinków zasilania (6), ponadto na początku każdego z kanałów odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania (7) usytuowany jest co najmniej jeden segment mieszający (12), zaś odcinki wstępnego uplastyczniania (8) w swojej końcowej części zaopatrzone są w przynajmniej jeden segment transportujący (14) nadto każdy z odcinków wstępnego uplastyczniania (8) i intensywnego uplastyczniania (9) wyposażony jest w co najmniej jeden segment ugniatający (13).1. A multi-screw extruder equipped with a plasticizing system consisting of a cylinder and several, preferably two, interlocking screws of a segmented structure placed in this cylinder, each of which has, in the direction of the material flow, successively the following zones: plasticizing, degassing and dosing, wherein the plasticizing zone comprises sections: feeding, pre-compression and heating, pre-plasticizing and intensive plasticizing, characterized in that the screws (2) along the lengths of the pre-compression and heating sections (7) and pre-plasticizing (8) have a reduction in the volume of the channels in relation to the channels of the feeding sections (6), furthermore at the beginning of each of the channels of the pre-compression and heating sections (7) there is at least one mixing segment (12), and the pre-plasticizing sections (8) in their end part are provided with at least one transporting segment (14), furthermore each of the pre-plasticizing (8) and intensive plasticizing (9) sections is equipped with at least one segment kneading (13).

Description

Przedmiotem wynalazku jest wytłaczarka wieloślimakowa przeznaczona do uplastyczniania tworzywa termoplastycznego, zwłaszcza tworzywa o obniżonej stabilności cieplnej.The subject of the invention is a multi-screw extruder designed for plasticizing a thermoplastic material, especially a material with reduced thermal stability.

Znane jest z opisu patentowego PL-177289 urządzenie do mieszania i wytłaczania (typu wieloślimakowego z segmentowymi elementami mieszającymi) materiałów, zwłaszcza plastycznych, którego obudowa składa się z szeregowo połączonych współosiowych segmentów, wyposażonych w dwa połączone ze sobą i przenikające się wzajemnie walcowe otwory o równoległych osiach. Wewnątrz tych segmentów obudowy są umieszczone w ich walcowych otworach współosiowo względem nich ślimaki, złożone z osiowo połączonych segmentów, wyposażonych w dwa połączone ze sobą i przenikające się wzajemnie walcowe otwory o równoległych osiach. Wewnątrz tych segmentów obudowy są umieszczone w ich walcowych otworach współosiowe względem nich ślimaki, złożone z osiowo połączonych segmentów śrubowych. Każdy z tych ślimaków jest wyposażony w zaklinowane szeregowo względem segmentów śrubowych na tym samym wałku dwa mieszadła. Każde z tych mieszadeł składa się z prawoskrętnego elementu śrubowego oraz ze stykającego się z nim lewoskrętnego elementu śrubowego, przy czym obydwa te elementy śrubowe mają w przekroju poprzecznym jednakowe, niesymetryczne profile.A device for mixing and extrusion (multi-screw type with segmented mixing elements) of materials, especially plastic, is known from the patent description PL-177289, the housing of which consists of serially connected coaxial segments, equipped with two interconnecting and mutually interpenetrating cylindrical holes with parallel axes. Inside these housing segments, in their cylindrical openings, screws coaxially with respect to them, consisting of axially connected segments, equipped with two interconnected and mutually interpenetrating cylindrical holes with parallel axes. Inside these housing segments, in their cylindrical openings, screws coaxial to them, consisting of axially connected screw segments. Each of these screws is equipped with two agitators wedged in series with the screw segments on the same shaft. Each of these mixers consists of a right-handed screw element and a counter-clockwise screw element, both of which have the same asymmetrical profiles in cross section.

Opisany profil geometryczny ślimaków urządzenia w tym jego elementów mieszających nie zawsze zapewnia właściwe wymieszanie i uplastycznienie kompozycji polimerowej o małych wskaźnikach szybkości płynięcia MFR(230; 2,16) £ 3, a więc obniżonej stabilności cieplnej na odcinku strefy uplastyczniania. Ponadto elementy mieszające o tak skomplikowanej geometrii są trudne technologicznie w procesie wykonania, co niewątpliwie ma wpływ na ich wysoki koszt.The described geometric profile of the device screws, including its mixing elements, does not always ensure proper mixing and plasticization of the polymer composition with low melt flow rates MFR (230; 2.16) £ 3, and thus reduced thermal stability in the section of the plasticizing zone. Moreover, mixing elements with such a complex geometry are technologically difficult in the manufacturing process, which undoubtedly affects their high cost.

Wytłaczarka według wynalazku wyposażona jest w układ uplastyczniający składający się z cylindra i umieszczonych w tym cylindrze kilku, a korzystnie dwóch zazębiających się ślimaków o budowie segmentowej. Każdy ze ślimaków posiada w kierunku przepływu tworzywa kolejno strefy: uplastycznienia, odgazowania i dozowania. Strefa uplastyczniania zawiera odcinki zasilania, wstępnego sprężania i podgrzewania, wstępnego uplastyczniania oraz intensywnego uplastyczniania. Ślimaki na długości odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania posiadają kanały o redukcji objętości korzystnie wynoszącej od 1,2 do 1,4 oraz na długości odcinków wstępnego uplastyczniania posiadają kanały o redukcji objętości korzystnie wynoszącej od 1,1 do 1,45 względem kanałów odcinków zasilania. Na początku każdego z odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania usytuowany jest co najmniej jeden segment mieszający. Odcinki wstępnego uplastyczniania w swojej końcowej części zaopatrzone są w przynajmniej jeden segment transportujący. Każdy z odcinków: wstępnego uplastyczniania i intensywnego uplastyczniania wyposażony jest w co najmniej jeden segment ugniatający. Na końcu odcinków intensywnego uplastyczniania znajduje się przynajmniej jeden segment transportujący o przeciwnym kierunku pochylenia linii wzniosu.The extruder according to the invention is equipped with a plasticizing system consisting of a cylinder and several, preferably two interlocking, segmented screws placed in this cylinder. In the direction of the material flow, each screw has the following zones: plasticization, degassing and dosing. The plasticizing zone includes sections for feeding, pre-compression and preheating, pre-plasticizing and intensive plasticizing. The screws have channels with a volume reduction preferably of 1.2 to 1.4 along the length of the prestressing and preheating sections, and the length of the precompression sections have channels with a volume reduction of preferably 1.1 to 1.45 with respect to the channels of the feed sections. At least one mixing segment is located at the beginning of each of the prestressing and heating sections. The pre-plasticizing sections are provided with at least one transporting section in their final portion. Each of the sections: pre-plasticization and intensive plasticization is equipped with at least one kneading segment. At the end of the high plasticizing sections there is at least one transporting segment with the opposite direction of the sheer slope.

Takie funkcjonalne skojarzenie przedstawionych w opisie istoty wynalazku środków technicznych dało nowy i nieoczywisty efekt techniczny przejawiający się w uzyskaniu znacznie korzystniejszego przebiegu procesu uplastyczniania mając na uwadze zapewnienie zarówno odpowiedniego stopnia wymieszania polimeru z dodatkami oraz wymaganego czasu przebywania tworzywa w strefie uplastyczniania jak i zmniejszenie rozproszenia energii mechanicznej napędu ślimaków. Na przebieg procesu uplastyczniania kompozycji polimeru z dodatkami istotny wpływ mają ściśle ze sobą współzależne wielkości charakteryzujące stan jakim poddawane jest tworzywo takie jak: naprężenie ścinające, prędkości ścinania, temperatura i rozkład czasu przebywania tworzywa podczas jego przepływu w układzie uplastyczniającym.Such a functional combination of the technical means presented in the description of the essence of the invention gave a new and non-obvious technical effect, manifested in obtaining a much more favorable course of the plasticization process, with a view to ensuring both the appropriate degree of mixing of the polymer with additives and the required residence time of the material in the plasticizing zone as well as reducing the dispersion of mechanical energy. auger drive. The course of the plasticization process of the polymer composition with additives is significantly influenced by the closely interdependent quantities characterizing the condition to which the material is subjected, such as: shear stress, shear rates, temperature and the distribution of the material residence time during its flow in the plasticizing system.

Na wartość naprężenia ścinającego w tworzywie, a w efekcie na jego temperaturę istotny wpływ ma zwłaszcza profil geometryczny ślimaków, w tym stopień wypełnienia kanałów segmentów ślimaków, zwłaszcza segmentów ugniatających, jak również prędkość obrotowa ślimaków tj. prędkość ścinania tworzywa.The geometrical profile of the screws, including the degree of filling of the channels of the screw segments, especially the kneading segments, as well as the rotational speed of the screws, i.e. the shear rate of the material, have a significant influence on the value of the shear stress in the material, and consequently on its temperature.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat fragmentu układu uplastyczniającego, a mianowicie, elementy segmentów cylindra oraz elementy geometryczne jednego ze ślimaków wytłaczarki, zaś fig. 2 - przekrój poprzeczny układu uplastyczniającego wytłaczarki dwuślimakowej współbieżnej.The subject of the invention is illustrated by an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a diagram of a part of the plasticizing system, namely, elements of cylinder segments and geometric elements of one of the extruder screws, and Fig. 2 - a cross-section of the plasticizing system of a co-rotating twin-screw extruder.

Wytłaczarka dwuślimakowa do uplastyczniania kompozycji polimerowej z dodatkami takimi jak: stabilizatory cieplne i świetlne oraz środki smarne wyposażona jest w segmentowy układ uplastyczniający z odgazowaniem, który zbudowany jest z cylindra 1 oraz dwóch zazębiających się i obracającychThe twin-screw extruder for plasticizing the polymer composition with additives such as: heat and light stabilizers and lubricants is equipped with a segmented plasticizing system with degassing, which is made of a cylinder 1 and two interlocking and rotating

PL 196 386 B1 się w tym samym kierunku ślimaków 2. Ślimaki 2 posiadają następujące strefy: uplastyczniania 3, odgazowania 4 i dozowania 5. W skład stref uplastyczniania 3 wchodzą odcinki: zasilania 6, wstępnego sprężania i podgrzewania 7, wstępnego uplastyczniania 8 oraz intensywnego uplastyczniania 9. Każdy ze ślimaków 2 ma budowę segmentową. Segmenty ślimaków 2 osadzone są na wałkach 10 z wypustami. Ślimaki 2 na długości odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania 7 posiadają kanały o redukcji objętości wynoszącej 1,25 względem kanałów odcinków zasilania 6. Na początku odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania 7 znajdują się segmenty mieszające 12. Ślimaki 2 na długościach odcinków wstępnego uplastyczniania 8 posiadają kanały o redukcji objętości wynoszącej od 1,1 do 1,45 względem kanałów odcinków zasilania 6. W odcinkach wstępnego uplastyczniania 8 znajdują się segmenty ugniatające 13 oraz na ich zakończeniu segmenty transportujące 14. Każdy z odcinków uplastyczniania 9 składa się z segmentów ugniatających 13, kolejno segmentów wspomagających transport tworzywa, w tym segmentów ugniatająco-dławiących 15 jego przepływ, zaś na końcu tych odcinków umieszczony jest segment transportujący 16 o przeciwnym kierunku pochylenia linii wzniosu, także dławiący przepływ tworzywa.PL 196 386 B1 are in the same direction of the screws 2. The screws 2 have the following zones: plasticizing 3, degassing 4 and dosing 5. The plasticizing zones 3 consists of the sections: feeding 6, pre-compression and heating 7, pre-plasticization 8 and intensive plasticization 9. Each of the screws 2 has a segmental structure. The auger segments 2 are mounted on shafts 10 with splines. The screws 2, along the length of the pre-compression and pre-heating sections 7, have channels with a volume reduction of 1.25 in relation to the channels of the supply sections 6. At the beginning of the pre-compression and pre-heating sections 7 there are mixing segments 12. The screws 2 have channels with volume reduction of 1.1 to 1.45 in relation to the feed section channels 6. In the pre-plasticizing sections 8 there are kneading segments 13 and at their end transporting segments 14. Each plasticizing section 9 consists of kneading segments 13, successively supporting segments transport of the material, including the kneading-throttling segments 15 its flow, and at the end of these sections there is a transporting segment 16 with the opposite direction of inclination of the sheer line, also throttling the flow of material.

Polimer w postaci proszku wraz z dodatkami jest doprowadzany do odcinków zasilania 6 wytłaczarki dwuślimakowej. Ślimakom 2 za pomocą nie przedstawionego na rysunku układu napędowego przekazuje się ruch obrotowy o kierunku współbieżnym. Z odcinków zasilania 6 tworzywo jest transportowane z jednoczesnym jego nagrzewaniem od ścian cylindra l wytłaczarki do odcinków wstępnego sprężania i podgrzewania 7, w których to odcinkach tworzywo ulega wymieszaniu przez segmenty mieszające 12, następnie sprężaniu oraz nagrzaniu. Podgrzane tworzywo jest przemieszczane do odcinków wstępnego uplastyczniania 8, w których następuje częściowe (mało intensywne) uplastycznianie tworzywa podczas przepływu jego przez segmenty ugniatające 13. Częściowe uplastycznianie tworzywa występuje w wyniku nie całkowitego wypełnienia segmentów ugniatających 13, co uzyskano poprzez umieszczenie na końcu tych odcinków segmentu transportującego 14. Wstępnie uplastycznione tworzywo jest przemieszczane do odcinków intensywnego uplastyczniania 9. W odcinkach tych wskutek ich całkowitego wypełnienia tworzywem występują znaczne naprężenia ścinające, a tym samym końcowe uplastycznienie kompozycji tworzywa. Uzyskany odpowiedni stopień uplastycznienia i ujednorodnienia kompozycji polimerowej umożliwia jej właściwe odgazowanie w strefach odgazowania 4, w których zostają usunięte z tworzywa części lotne, które poprzez otwór 17 opuszczają cylinder 1 wytłaczarki. Uplastycznione i odgazowane tworzywo jest następnie przemieszczane do stref dozowania 5, które przetłaczają kompozycję polimerową do głowicy wytłaczarskiej formującej wyrób.The polymer in powder form with additives is fed to the feed sections 6 of the twin screw extruder. The screws 2 are transmitted to the screws in a co-rotating direction by means of a drive system not shown. From the feed sections 6, the material is transported with its simultaneous heating from the walls of the cylinder 1 of the extruder to the pre-compression and heating sections 7, in which the material is mixed by the mixing segments 12, then compressed and heated. The heated material is moved to the preplasticization sections 8, in which partial (low-intensity) plasticization of the material takes place during its flow through the kneading segments 13. Partial plasticization of the material occurs as a result of incomplete filling of the kneading segments 13, which was obtained by placing these segments at the end transporting device 14. The pre-plasticized material is moved to the intensive plasticizing sections 9. Due to their complete filling with plastic, significant shear stresses occur in these sections, and thus the final plasticization of the plastic composition. The obtained degree of plasticization and homogenization of the polymer composition enables its proper degassing in the degassing zones 4 in which volatile parts are removed from the material, which leave the extruder cylinder 1 through the opening 17. The plasticized and degassed material is then moved to the dosing zones 5 which force the polymer composition into the extrusion head forming the article.

Taka konfiguracja ślimaków umożliwia prowadzenie procesu wytłaczania kompozycji polimerowej przy zarówno minimalnym stopniu degradacji polimeru, jak i obniżonym zużyciu energii napędu ślimaków.This configuration of the screws enables the extrusion of the polymer composition to be carried out with both a minimal degree of polymer degradation and a reduced energy consumption of the screw drive.

Claims

1. A multi-screw extruder equipped with a plasticizing system consisting of a cylinder and several, preferably two interlocking, segmented screws placed in the cylinder, each of which has, in the flow direction of the material, successively zones: plasticizing, degassing and dosing, with a plasticizing zone includes sections: supply, pre-compression and heating, pre-plasticization and intensive plasticization, characterized in that the screws (2) along the lengths of the pre-compression and heating sections (7) and preliminary plasticization (8) have a reduction in the volume of the channels in relation to the channels of the supply sections (6) ), moreover, at the beginning of each of the channels of the prestressing and heating sections (7) at least one mixing section (12) is located, and the preconditioning sections (8) in their end part are provided with at least one transporting section (14) moreover each from the sections of preliminary plasticization (8) and intensive plasticization (9) is equipped with at least one kneading segment (13).

2. The extruder according to claim 1 A method as claimed in claim 1, characterized in that the reduction in the volume of the channels of the prestressing and preheating sections (7) is preferably 1.2 to 1.4 with respect to the channels of the feeding sections (6).

PL 196 386B1

3. The extruder according to claim 1 A method as claimed in claim 1, characterized in that the reduction in the volume of the channels of the preconditioning sections (8) is preferably from 1.1 to 1.45 in relation to the channels of the feed sections (6).

4. The extruder according to claim 1 A method according to claim 1, characterized in that at the end portion of the intensive plasticizing sections (9) there is at least one transporting section (16) with the opposite slope direction of the sheer line.