WO2002090087A2 - Vorrichtung mit schnecken zum homogenisieren und/oder dispergieren - Google Patents

Vorrichtung mit schnecken zum homogenisieren und/oder dispergieren Download PDF

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Markus Blach
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3+Extruder Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a device for homogenizing and / or dispersing at least one viscous substance and at least one solid and / or at least one other substance of different viscosities according to the preamble of claim 1.
  • Screw extruders have the disadvantage that when homogenizing, kneading and dispersing solids in a viscous matrix or homogenizing substances of very different viscosities, qualitative results are often poorer than with batch-wise kneading. This also applies to twin screw extruders.
  • so-called kneading blocks which consist of two or more cam disks offset in the circumferential direction from one another, are generally arranged on the two shafts of twin-screw extruders in a rotationally fixed manner, the outline of which is formed in each case from a plurality of circular arcs. Kneading blocks of this type are described, for example, in DE 813 154 B and EP 0 422 272 B1.
  • a device for the continuous processing of flowable materials according to the preamble of claim 1 is known from EP 0 788 867 B1.
  • the homogenization is carried out essentially by means of kneading blocks. Kneading blocks, however, have the disadvantage that only low energies are conducted in the deep middle of the aisle, but very high energies are conducted into the product to be processed in the aisle that runs out wedge-shaped to the housing, which, apart from a specifically high energy consumption, leads to a partial overuse of the product and high wear in the area of the kneading blocks and the housing.
  • product parts can easily pass through the kneading blocks in a short way and without energy input, that is to say without homogenization.
  • the object of the invention is to specify the requirements for the design of a generic device for a perfect homogenization and / or dispersion.
  • the device according to the invention has in a space between a housing and an inner core along a circle with the same central angular distance at least three axially parallel rotatable shafts which are at least partially provided with tightly intermeshing screw elements.
  • the inside of the housing and the inner core on the outside are provided with concave circular segments parallel to the axis, which receive the respective shaft with the screw elements.
  • the circle on which the waves are arranged is an arc or can be a full circle, so the process space can be arranged around the arc or is ring-shaped.
  • the housing and / or the inner core are provided with openings, for example material supply openings and / or material and / or gas outlet openings.
  • the screw elements in such a device have a significantly reduced homogenizing or dispersing effect in the area in which the housing and / or the inner core has openings
  • the axial area lying outside these openings must have a length, which corresponds to at least ten times, preferably fifteen times the outer diameter of the screw elements.
  • This length also only relates to the area in which the viscous substance is 100% melted or liquid. This means that the screw length required for melting does not count towards the process part according to the invention.
  • the length of the screw elements on the shafts outside the openings which are provided in the housing and / or in the inner core must be at least ten times, preferably fifteen times the outer screw diameter, in the region in which all substances are liquid or melted.
  • the length in which the solids content in the liquid, that is to say melted, or in the case of homogenization of substances of different viscosities, all the substances to be homogenized are present in the device in the liquid, that is to say melted, state and which is outside the openings mentioned can also be referred to as process length.
  • the shafts are provided with screw elements over a process length which corresponds to at least ten times, preferably at least fifteen times the outer screw diameter.
  • the screw elements from which the process length is composed in order to achieve the desired dispersion and homogenization have a pitch of at most three quarters, preferably at most two thirds, over a length that corresponds to at least three times, preferably at least five times, the outer screw diameter and particularly preferably of at most half of the outer screw diameter.
  • the device according to the invention can be used to continuously disperse or homogenize solids in a viscous matrix with such an excellent result as was previously only possible in batches with kneaders. The same applies to the homogenization of substances with different viscosities.
  • the number of transitions at a housing cross-section is at which the concave circular segments are located on one and the other side of the housing cut, a total of two, in a device according to EP 0 788 867 B1 with three shafts, the number of transitions at which the concave circular segments intersect on the inside of the housing and on the outside of the inner core is a total of four, and for twelve shafts in the closed Circle a total of twenty-four.
  • the screws of the device according to the invention are preferably designed with one or two threads.
  • Catchable screw elements are particularly preferred because the comb width can be chosen to be large compared to the flight width, ie a large cross-sectional constriction of the screw channel can be obtained.
  • the screw profile of the device according to the invention preferably consists of several circular arcs.
  • the outside and inside of each radius represent the curvature and for the flanks in between the center distance as the radius determines the maximum curvature.
  • beta gamma
  • the maximum possible relationships for D result from the above-mentioned mathematical relationships.
  • the solid particles agglomerates are divided during the transfer process of the material from the delivering to the receiving screw by stretching and bending (shifting) the viscous matrix, essentially by the number of interlocking zones, the duration of the stress and the Comb width, the amount of stress to which the material is exposed, can be influenced very finely by the mechanical variables on the process engineering requirements.
  • non-conductive plastics can be produced in a conductive manner by dispersing and homogenizing carbon black with a quality that was previously difficult to achieve with kneaders.
  • Colors, fillers, foods such as chocolate can also be homogenized and / or dispersed or broken down.
  • the starting material required for spinning microfibers can be produced, ie a spinnable plastic, to which color pigments or other solids in the ⁇ m or nano range are mixed. These microfibers have a diameter that is only slightly larger than the diameter of the color pigments or other solid particles. If the solid aggregates are not finely dispersed and homogenized, the spinnerets become blocked or the fibers tear during spinning.
  • the material for plastic films or protective coatings can be produced with the device according to the invention.
  • the device according to the invention is also suitable for homogenizing plastics with very different polymer chain lengths, it can also be used, for example, to modify bimodal or multimodal plastics.
  • the shafts of the device according to the invention can be driven in the same direction, but they can also be designed to rotate in opposite directions.
  • Figure 2 shows a cross section of the device along the line II-II in Figure 1;
  • FIG. 3 shows a cross section through a further embodiment of the device with three shafts with intermeshing screw elements in an arc-shaped screw chamber in the housing; 4 shows a view corresponding to FIG. 3 without the housing;
  • FIG. 5 shows a view corresponding to FIG. 4, but with three single-screw elements; 6 and 7 are a perspective view and a top view of the three screw elements according to FIG. 5; and
  • FIG. 8 is a side view of the worm shafts corresponding to FIG. 1, but with catchy worm elements which have comb widths of different sizes in different axial areas.
  • the device has a housing 1 and an axial inner core 2. Between the housing 1 and the inner core 2, an annular screw space 3 with a plurality of axially parallel shafts 4 is provided.
  • the housing 1 is closed on the input side by an end plate 5, through which the shafts 4 extend, which are driven in the same direction or in opposite directions by a gear, not shown.
  • a multiplicity of two-start screw elements 6 are arranged on each shaft 4 in a rotationally fixed manner.
  • the housing 1 is provided on the inside and the core 2 on its outside with axially parallel concave circular segments 7 and 8, respectively.
  • the inside of the housing 1 and the inner core 2 are thus rosette-shaped from concentric circular segments 7 and 8, the center of which lies in the cylindrical surface of the circle on which the axes of the shafts 4 are located.
  • the circular segments 7, 8 reach Screw elements 6 with little play, so largely tight.
  • the housing 1 has an opening 9 at the top through which the material (not shown) to be processed is fed to the screw chamber 3.
  • the gases emerging from the material flow through the openings 11, 12 in the housing 1 to the outside.
  • These openings can e.g. also be provided in the inner core 2 if it is hollow.
  • the shafts 4 extend in the area which lies outside the openings 9, 11, 12 over a length which is e.g. corresponds to twenty times the outer diameter D of the screw elements 6.
  • the screw elements 6 have an elliptical contour in cross section, which has a curvature in the region of the arches A, B and A ', B' which corresponds to D / 2, and in the region E, F and E. ', F' a curvature corresponding to A x - D, where A x means the axial distance between two shafts.
  • the angles ⁇ , ⁇ and ⁇ , the curvatures of the regions between B and E, F and B 'and A, E' and F ', A' can be determined by known methods of analytical geometry, as described, for example, in EP 0 002 131 B1 ,
  • the device has a total of 24 gussets, 13, 14 or transitions through the twelve shafts 4, on which the concave circular segments 7 on the inside of the housing 1 or the concave circular segments 8 on the outside of the screw chamber 3 intersect. Between the two transitions 13, 14 are the zones 15 in which the tendon Corner elements 6 of adjacent shafts 4 mesh closely together.
  • FIGS. 5 to 7 show three intermeshing single-screw elements with a pitch S.
  • the screw conveying direction is shown by arrow 10. So that the (right-hand) screws convey according to arrow 10, they have the direction of rotation shown in FIG. 7.
  • the material which moves in the direction of the arrow 16 is exposed to the braking influence of the housing 1 in the region of the chamber 18 formed by the concave circular elements 7 and 8 (FIG. 3).
  • the effect of the interlocking zones 15 on the dispersing and homogenizing of a solid or the other substance components in a viscous matrix is essentially based on the fact that when the material flows through the interlocking zones 15, this braking influence of the housing 1 is essentially eliminated, which at the same time with a Increasing the material speeds is connected and an expansion of the material involved results.
  • Fig. 7 the chamber 18 can be clearly seen, the receiving side 6 being shown at the top and the emitting side 6 from the bottom, with the maximum possible comb width B. If B is made smaller, the receiving and the emitting passage area are simultaneously larger and thus the transfer resistance is smaller.
  • the function can be influenced by changing the comb width B.
  • increasing the slope S e.g. with a double slope, an increased or double throughput is achieved.
  • the catchable screw elements 6 in the axial area M have a larger comb width K than the screw elements 6 in the axial area N of the device.
  • the screw elements 6 with the larger comb width K can be arranged on the material output side and the screw elements 6 with the smaller comb width K on the material input side.

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Homogenisieren und/oder Dispergieren wenigstens eines viskosen Stoffes und wenigstens eines Feststoffes und/oder wenigstens eines anderen Stoffes unterschiedlicher Viskosität weist in einem Raum (3) im Gehäuse (1) längs eines Kreises mit gleichen Zentriwinkelabstand angeordnete achsparallele rotierbare Wellen (4) auf, die mit dicht kämmend ineinandergreifenden Schneckenelementen (6) versehen sind. Die Wellen (4) in dem Bereich außerhalb der Öffnungen (9, 11, 12) in dem Gehäuse (1) sind über eine Länge (L=L1=+L2+L3), die wenigstens dem Zehnfachen des Außendurchmessers (D) der Schneckenelemente (6) entspricht, mit Schneckenelementen (6) versehen, die eine Gangsteigung (S) von höchstens drei Viertel des Schneckenaußendurchmessers (D) aufweisen.

Description

Vorrichtung mit Schnecken zum Homogenisieren und/oder Dispergieren
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Homogenisieren und/oder Dispergieren wenigstens eines viskosen Stoffes und wenigstens eines Feststoffes und/oder wenigstens eines anderen Stoffes unterschiedlicher Viskosität nach dem 0- berbegriff des Anspruchs 1.
Schneckenextruder haben den Nachteil, dass beim Homogenisieren, Kneten und Dispergieren von Feststoffen in einer viskosen Matrix oder Homogenisieren von Stoffen sehr unterschiedlicher Viskosität häufig schlechtere qualitative Ergebnisse erzielt werden als mit chargenweisem Kneten. Dies trifft auch für Doppelschneckenextruder zu. Um das Homogenisieren zu verbessern, werden auf den beiden Wellen von DoppelSchnecke- nextrudern daher im allgemeinen neben Schneckenelementen sogenannte Knetblöcke drehfest angeordnet, die aus zwei oder mehr in Umfangsrichtung gegeneinander im Winkel versetzten Kurvenscheiben bestehen, deren Umriss jeweils aus mehreren Kreisbögen gebildet ist. Derartige Knetblöcke sind beispielsweise in DE 813 154 B und EP 0 422 272 Bl beschrieben.
Ferner ist aus EP 0 788 867 Bl eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Bearbeiten von fließfähigen Materialien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Auch bei dieser Vorrichtung erfolgt das Homogenisieren im wesentlichen durch derar- tige Knetblöcke. Knetblδcke haben jedoch den Nachteil, dass in der tiefen Gangmitte nur geringe Energien, in dem keilförmig zum Gehäuse auslaufenden Gang jedoch sehr hohe Energien in das zu bearbeitende Produkt geleitet werden, was, abgesehen von einem spezifisch hohen Energieverbrauch, zu einer partiellen Überbeanspruchung des Produkts und einem hohem Verschleiß im Bereich der Knetblöcke und des Gehäuses führen kann. Zudem können durch die axial offene Bauweise der Knet- blöcke Produktanteile leicht auf kurzem Weg und ohne Energieeintrag, also ohne Homogenisierung durch die Knetblöcke hindurchtreten.
Aus DE 28 54 207 B2 ist ein Schneckenextruder bekannt, der eine Mischzone mit einer Länge von 4 - 12 D (D = Außendurchmesser eines Schneckenelements) aufweist, wobei die Gangsteigungen zwischen 0,5 bis 2 D in der Eintragszone bzw. 0,3 - 1 D in der Austragszone betragen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Anforderungen an die Auslegung einer gattungsgemäßen Vorrichtung für ein einwandfreies Homogenisieren und/oder Dispergieren anzugeben.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Vorrichtung erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist in einem Raum zwischen einem Gehäuse und einem Innenkern längs eines Kreises mit gleichen Zentriwinkelabstand mindestens drei achsparallel rotierbare Wellen auf, die zumindest teilweise mit dicht kämmend ineinandergreifenden Schneckenelementen versehen sind. Das Gehäuse ist an seiner Innenseite und der Innenkern auf seiner Außenseite mit achsparallelen konkaven Kreissegmenten versehen, die die jeweilige Welle mit den Schneckenelementen aufnehmen. Der Kreis, auf dem die Wellen angeordnet sind, ist ein Kreisbogen oder kann ein voller Kreis sein, der Verfahrensraum kann sich also um den Kreisbogen anordnen oder ist ringförmig. Das Gehäuse und/oder der Innenkern sind mit Öffnungen versehen, beispielsweise Materialzufuhröffnungen und/oder Material- und/oder Gasaustrittsöffnungen.
Da die Schneckenelemente bei einer solchen Vorrichtung in dem Bereich, in dem das Gehäuse und/oder der Innenkern Öffnungen aufweist, eine deutlich herabgesetzte homogenisierende bzw. dispergierende Wirkung besitzen, muss erfindungsgemäß der A- xialbereich, der außerhalb dieser Öffnungen liegt, eine Länge aufweisen, die mindestens dem Zehnfachen, vorzugsweise dem Fünfzehnfachen des Außendurchmessers der Schneckenelemente entspricht .
Auch bezieht sich diese Länge nur auf den Bereich in dem der viskose Stoff 100% aufgeschmolzen bzw. flüssig vorliegt. Das heißt, dass die zum Aufschmelzen nötige Schneckenlänge nicht zum erfindungsgemäßen Verfahrensteil zählt.
Gleiches gilt, wenn Stoffe unterschiedlicher Viskosität mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung homogenisiert werden und wenigstens einer dieser Stoffe in der Vorrichtung erst aufgeschmolzen werden muss. Auch dann muss die Länge der Schneckenelemente auf den Wellen außerhalb der Öffnungen, die im Gehäuse und/oder in dem Innenkern vorgesehen sind, mindestens das Zehnfache, vorzugsweise das Fünfzehnfache des Schnecken- außendurchmessers betragen, und zwar in dem Bereich, in dem alle Stoffe flüssig bzw. aufgeschmolzen sind. Die Länge, in der der Feststoffanteil in dem flüssigen, also ggf. aufgeschmolzenen Stoff bzw. bei einer Homogenisierung von Stoffen unterschiedlicher Viskosität sämtliche zu homogenisierende Stoffe in flüssigem, also ggf. aufgeschmolzenem Zustand in der Vorrichtung vorliegen und die außerhalb der besagten Öffnungen liegt, kann auch als Verfahrenslänge bezeichnet werden. Das heißt, erfindungsgemäß sind die Wellen über eine Verfahrenslänge, die mindestens dem Zehnfachen, vorzugsweise mindestens dem Fünfzehnfachen des Schneckenau- ßendurchmessers entspricht, mit Schneckenelementen versehen.
Zudem besitzen die Schneckenelemente, aus denen sich die Verfahrenslänge zusammensetzt, um die gewünschte Dispergierung und Homogenisierung zu erreichen, über eine Länge, die wenigstens dem Dreifachen, vorzugsweise wenigstens dem Fünffachen des Schneckenaußendurchmessers entspricht, eine Gangsteigung von höchstens drei Viertel, vorzugsweise von höchstens zwei Drittel und besonders bevorzugt von höchstens der Hälfte des Schneckenaußendurchmessers.
Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kontinuierlich Feststoffe in einer viskosen Matrix mit einem so hervorragendem Ergebnis dispergieren bzw. homogenisieren, wie es bisher nur chargenweise mit Knetern erreicht werden konnte. Gleiches gilt für das Homogenisieren von Stoffen unterschiedlicher Viskosität.
Unter diesen Bedingungen wird nämlich die Zahl der Zonen, in denen benachbarte Schneckenelemente ineinander greifen, d.h. die Stege oder Kämme benachbarter Schneckenelemente einander überlappen, vervielfacht.
Bei einem Zweischneckenextruder beträgt an einem Gehäusequerschnitt die Zahl der Übergänge, an denen sich die konkaven Kreissegmente an der einen und der anderen Seite des Gehäuses schneiden, insgesamt zwei, bei einer Vorrichtung gemäß EP 0 788 867 Bl mit drei Wellen ist die Zahl der Übergänge, an denen sich die konkaven Kreissegmente an der Innenseite des Gehäuses und an der Außenseite des Innenkerns schneiden, insgesamt vier und bei zwölf Wellen im geschlossenen Kreis insgesamt vierundzwanzig.
Rein mechanisch betrachtet, werden bei einer Schneckenumdrehung mit den 12 Wellen 24 Zwickel passiert und bei der Doppelschnecke sind es 2. Werden je 20 Windungen mit Steigung = 1 x Durchmesser auf die Verfahrensteillänge von 20 0 angeordnet, steigt die Zahl der Passagen je Umdrehung bei 12 Wellen auf 20 x 24 = 480 und bei einer Doppelschnecke auf 2 x 20 = 40.
Bei einer 3 -Wellen-Maschine sind gleichzeitig 4 Zwickel wirksam, das bedeutet, dass je Schneckenumdrehung 4 Zwickel wirksam werden, was bei 20 Windungen 80 Zwickelpassagen sind. A- nalog ergeben sich bei kleineren Steigungen für eine:
DoppelSchnecke Steigung 3/4 0 53,3 Zwickelpassagen 3 Wellen 106,7 Zwickelpassagen 12 Wellen 640 Zwickelpassagen
DoppelSchnecke bei Steigung 2/3 0 60 Zwickelpassagen 3 Wellen 120 Zwickelpassagen
12 Wellen 720 Zwickelpassagen
Doppelschnecke bei Steigung 1/2 0 80 Zwickelpassagen 3 Wellen 160 Zwickelpassagen
12 Wellen 960 Zwickelpassagen
wobei 0 der Schneckenaußendurchmesser ist Die Wirkung der Ineinandergreifzonen auf das Dispergieren und Homogenisieren eines oder mehrerer Feststoffe bzw. der anderen Stoffanteile in einer viskosen Matrix beruht im wesentlichen darauf, dass beim Durchströmen des Materials durch die Ineinandergreifzone der bremsende Einfluss des Gehäuses im wesentlichen entfällt, was gleichzeitig mit einer Vergrößerung der Materialgeschwindigkeiten verbunden ist, und eine Dehnung des beteiligten Materials zur Folge hat. Weiter wird beim Auftreffen des Materials auf den Außendurchmesser des Kammes der aufnehmenden Schnecke, der mit Umfangsgeschwindigkeit rotiert, ähnlich wie beim Pflügen, das Material von der Schneckenoberfläche der abgegebenen Schnecke abgetragen, umgeschichtet und mit einer neuen Fließrichtung in den verengten Querschnitt der aufnehmenden Schnecke gelenkt. Über die Viskosität der kontinuierlichen Phase werden dadurch Zug- und Biegekräfte auf die benetzten Feststoffagglomerate ausgeübt, zu deren Bruch es dann kommen kann. Da die Höhe der Beanspruchung durch die Viskosität begrenzt ist, muss mit der Passage vielfach hintereinander angeordneter Ineinandergreifzonen ü- ber die Dauer der Beanspruchung der einzelne Bruch und/oder der wiederholte Bruch erfolgen. Auf die Umfangslänge von Ineinandergreifzone zu Ineinandergreifzone wirken die Schnecken als reines Förder- und Druckaufbausystem, wie bei einem herkömmlichen Einwellenextruder.
Dass diese Vorgänge eine wesentliche Rolle für die Homogenisierung und Dispergierung des Feststoffes bilden, ist daraus zu schließen, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbst bei Feststoffteilchen mit einer Teilchengröße im μm- Bereich in einer viskosen Matrix eine einwandfreie Dispergierung und Homogensierung erreicht wird, die der chargenweisen Dispergierung und Homogenisierung in einem Kneter nicht nachsteht . Das gleiche Resultat lässt sich beim Homogenisieren von Stoffen unterschiedlicher Viskosität durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielen.
Die Schnecken der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind vorzugsweise ein- oder zweigängig ausgeführt . Eingängige Schneckenelemente werden besonders bevorzugt, weil die Kammbreite groß gegenüber der Gangbreite gewählt werden kann, also eine hohe Querschnittsverengung des Schneckenkanals zu erhalten ist.
Das Schneckenprofil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vorzugsweise aus mehreren Kreisbögen. Wobei außen und innen der jeweilige Radius die Krümmung darstellt und für die Flanken dazwischen der Achsabstand als Radius die maximale Krümmung bestimmt.
Ax = D/2+d/2
Ax Achsabstand von 2 Schnecken D Außendurchmesser d Kerndurchmesser
GZ (2alfa+beta+gamma) = 360°
GZ Gangzahl alfa Flankenwinkel beta Kernwinkel gamma Kammwinkel
Bei standardmäßiger Auslegung wird beta=gamma gewählt.
Aus oben genannten mathematischen Zusammenhängen ergeben sich die maximal möglichen Verhältnisse für D:d. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt also beim Übergabevorgang des Materials von der abgebenden zur aufnehmenden Schnecke durch das Dehnen und Biegen (Umschichten) der viskosen Matrix ein Zerteilen der Feststoffteilchen-Agglomerate, wobei im wesentlichen durch die Anzahl der Ineinandergreifzonen, die Dauer der Beanspruchung und über die Kammbreite die Höhe der Beanspruchung, der das Material ausgesetzt ist, sehr fein durch die mechanischen Größen Einfluss auf die verfahrenstechnischen Erfordernisse genommen werden kann.
Durch die große am Bearbeitungsvorgang beteiligte Schneckenoberfläche und die dazu relativ kleine Materialmenge sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine partiellen Überhitzungen oder sonstige Überlastungen des Materials zu erwarten, sondern eher eine gleichmäßige Belastung in den Ineinandergreifzonen. Dadurch erfolgt auch ein gleichmäßiger Energieumsatz im gesamten zu bearbeitenden Material bei geringem Verschleiß der Schnecken. Dazu kommt der entscheidende Vorteil, dass ein axiales, kurzschlüssiges Ausweichen von Teilen des Materialstroms verhindert wird, also Ausreißer nicht möglich sind.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beispielsweise nicht leitfähige Kunststoffe durch Dispergieren und Homogenisieren von Ruß mit einer Qualität leitfähig hergestellt werden, die bisher kaum mit Knetern erreichbar war. Ferner können Farben, Füllstoffe, Lebensmittel, wie Schokolade, homogenisiert und/oder dispergiert bzw. aufgeschlossen werden. Beispielsweise kann das zum Spinnen von Mikrofasern erforderliche Ausgangsmaterial hergestellt werden, d.h. ein spinnfähiger Kunststoff, dem Farbpigmente oder andere Feststoffe im μm- oder Nano-Bereich beigemischt sind. Diese Mikrofasern besitzen einen Durchmesser, der nur wenig größer als der Durchmesser der Farbpigmente oder sonstigen Feststoffteilchen ist. Wenn die Feststoffaggregate nicht fein dispergiert und homogenisiert werden, verstopfen die Spinndüsen oder reißen die Fasern beim Spinnen. Weiterhin kann beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Material für Kunststofffo- lien oder Schutzanstriche hergestellt werden. Da sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zum Homogenisieren von Kunststoffen mit sehr unterschiedlichen Polymerkettenlängen eignet, können mit ihr beispielsweise auch bi- oder multimodale Kunststoffe modifiziert werden.
Die Wellen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können gleichsinnig angetrieben werden, sie können jedoch auch gegensinnig drehend ausgebildet sein.
Nachstehend ist eine Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Darin zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung;
Fig. 2 einen Querschnitt der Vorrichtung entlang der Linie II-II in Figur 1;
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine weitere Ausfuhrungsform der Vorrichtung mit drei Wellen mit ineinandergreifenden Schneckenelementen in einem kreisbogenförmigen Schneckenraum im Gehäuse; Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Ansicht ohne Gehäuse;
Fig. 5 eine der Fig. 4 entsprechende Ansicht, jedoch mit drei eingängigen Schneckenelementen; Fig. 6 und 7 eine perspektivische Ansicht bzw. Draufsicht auf die drei Schneckenelemente nach Fig. 5; und
Fig. 8 eine der Fig. 1 entsprechende Seitenansicht der Schneckenwellen, jedoch mit eingängigen Schneckenelementen die in unterschiedlichen Axialbereichen unterschiedlich große Kammbreiten besitzen.
Gemäß Figur 1 und 2 weist die Vorrichtung ein Gehäuse 1 und einen axialen Innenkern 2 auf. Zwischen dem Gehäuse 1 und dem Innenkern 2 ist ein kreisringförmiger Schneckenraum 3 mit einer Vielzahl achsparallel angeordneter Wellen 4 vorgesehen.
Das Gehäuse 1 ist eingangsseitig durch eine Endplatte 5 verschlossen, durch die sich die Wellen 4 erstrecken, die durch ein nicht dargestelltes Getriebe gleichsinnig oder gegensinnig angetrieben werden. Auf jeder Welle 4 ist drehfest eine Vielzahl von zweigängigen Schneckenelementen 6 angeordnet.
Wie Figur 2 zu entnehmen ist, greifen die Schneckenelemente 6 benachbarter Wellen 4 kämmend mit geringem Spiel, also weitgehend dicht ineinander.
Das Gehäuse 1 ist an der Innenseite und der Kern 2 an seiner Außenseite mit achsparallelen konkaven Kreissegmenten 7 bzw. 8 versehen. Im Querschnitt sind die Innenseite des Gehäuses 1 und der Innenkern 2 damit rosettenförmig aus konzentrischen Kreissegmenten 7 und 8 gebildet, deren Kreismittelpunkt in der Zylinderfläche des Kreises liegt, auf dem sich die Achsen der Wellen 4 befinden. In die Kreissegmente 7, 8 greifen die Schneckenelemente 6 mit geringem Spiel, also weitgehend dicht ein.
An dem einen, der Endplatte 5 zugewandten eingangseitigen Ende weist das Gehäuse 1 an der Oberseite eine Öffnung 9 auf, durch die das (nicht dargestellte) zu bearbeitende Material dem Schneckenraum 3 zugeführt wird.
Die aus dem Material austretenden Gase strömen durch die Öffnungen 11, 12 in dem Gehäuse 1 nach außen. Diese Öffnungen können z.B. auch im Innenkern 2 vorgesehen sein, wenn er hohl ausgebildet ist.
Die Wellen 4 erstrecken sich in dem Bereich, der außerhalb der Öffnungen 9, 11, 12 liegt, über eine Länge, die z.B. dem Zwanzigfachen des Außendurchmessers D der Schneckenelemente 6 entspricht .
Gemäß Figur 2, 3 und 4 weisen die Schneckenelemente 6 im Querschnitt eine ellipsenartige Kontur auf, die im Bereich der Bögen A, B und A' , B' eine Krümmung aufweist, die D/2 entspricht, und im Bereich E, F und E' , F' eine Krümmung, die Ax - D entspricht, wobei Ax der axiale Abstand zwischen zwei Wellen bedeutet. Die Winkel α, ß und γ die Krümmungen der Bereiche zwischen B und E, F und B' sowie A, E' und F' , A' können durch bekannte Verfahren der analytischen Geometrie bestimmt werden, wie z.B. in EP 0 002 131 Bl beschrieben.
Gemäß Figur 2 weist die Vorrichtung durch die zwölf Wellen 4 insgesamt 24 Zwickel, 13, 14 oder Übergänge auf, an denen sich die konkaven Kreissegmente 7 an der Innenseite des Gehäuses 1 bzw. die konkaven Kreissegmente 8 an der Außenseite des Schneckenraumes 3 schneiden. Zwischen den beiden Übergängen 13, 14 befinden sich die Zonen 15, in denen die Sehne- ckenelemente 6 benachbarter Wellen 4 dicht kämmend ineinandergreifen. Bei einer Gangsteigung von D werden damit auf einer Schneckenlänge L, die sich aus den Schneckenlängen Ll zwischen der Materialzufuhröffnung 9 und der Entgasungsöffnung 11, der Schneckenlänge L2 , zwischen den beiden Entgasungsöffnungen 11 und 12 und der Schneckenlänge L3 zwischen der Entgasungsöffnung 12 und dem materialaustrittsseitigen Ende der Wellen 4 zusammensetzt, bei L = 20 D, insgesamt 960 Ineinandergreifzonen 15 gebildet.
Die Wirkung der Ineinandergreifzonen 15 auf das Dispergieren und Homogenisieren eines Feststoffes bzw. der anderen Stoff- anteile in einer viskosen Matrix ist anhand der Figuren 5 bis 7 näher erläutert, die drei ineinander greifende eingängige Schneckenelemente mit einer Gangsteigung S zeigen. Die Schne- ckenförderrichtung ist durch den Pfeil 10 wiedergegeben. Damit die (rechtssteigenden) Schnecken gemäß dem Pfeil 10 fördern, weisen sie die in Fig. 7 dargestellte Drehrichtung auf.
Das Material, das sich in Richtung des Pfeiles 16 bewegt, ist im Bereich der durch die konkaven Kreissemente 7 und 8 (Fig. 3) gebildeten Kammer 18 dem bremsenden Einfluss des Gehäuses 1 ausgesetzt. Die Wirkung der Ineinandergreifzonen 15 auf das Dispergieren und Homogenisieren eines Feststoffes bzw. der anderen Stoffanteile in einer viskosen Matrix beruht nun im wesentlichen darauf, dass beim Durchströmen des Materials durch die Ineinandergreifzonen 15 dieser bremsende Einfluss des Gehäuses 1 im wesentlichen entfällt, was gleichzeitig mit einer Vergrößerung der Materialgeschwindigkeiten verbunden ist und eine Dehnung des beteiligten Materials zur Folge hat. Weiter wird beim Auftreffen des Materials auf den Außendurchmesser des Kammes K der aufnehmenden Schnecke 6auf/ welcher mit Umfangsgeschwindigkeit rotiert, ähnlich wie beim Pflügen, das Material von der Schneckenoberfläche der abgebenden Schnecke 6ab abgetragen, umgeschichtet und mit neuer Fließrichtung in den verengten Querschnitt bei 17 gelenkt. Über die Viskosität der kontinuierlichen Phase werden dadurch Zug- und Biegekräfte auf die in der Matrix enthaltenen benetzten Feststoffagglomerate ausgeübt, sodass es zu deren Bruch kommen kann.
In Fig. 7 ist die Kammer 18 gut zu sehen, wobei die aufnehmende Seite 6auf oben und die abgebende Seite 6ab unten dargestellt ist, mit maximal möglicher Kammbreite B. Wird B kleiner gemacht, werden die aufnehmende und die abgebende Durchtrittsfläche gleichzeitig größer und damit der Übergabewiderstand kleiner.
Durch die Änderung der Kammbreite B kann damit die Funktion beeinflusst werden. Bei Erhöhung der Steigung S, z.B. bei doppelter Steigung, wird ein erhöhter bzw. doppelter Durchsatz erreicht.
Gemäß Fig. 8 weisen die eingängigen Schneckenelemente 6 im Axialbereich M eine größere Kammbreite K als die Schneckenle- mente 6 im Axialbereich N der Vorrichtung auf . Die Schneckenelemente 6 mit der größeren Kammbreite K können dabei materi- alausgangsseitig und die Schneckenelemente 6 mit der kleineren Kammbreite K materialeingangsseitig angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich, die Schneckenelemente mit der größeren Kammbreite materialeingangsseitig und die Schneckenelemente 6 mit der kleineren Kammbreite materialausgangsseitig anzuordnen. Auch ist es möglich, abwechselnd Axialbereiche mit Schneckenelementen mit größerer Kammbreite und Axialbereiche mit Schneckenelementen mit kleiner Kammbreite vorzusehen. Durch die unterschiedliche Kammbreite kann der Strömungswiderstand in den Ineinandergreifzonen gesteuert werden. Je größer die Kammbreite ist, umso größer ist der Widerstand beim Eintritt in diese Zonen.
Beispiel
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit 12 Wellen, und einer mit Schmelze gefüllten Verfahrenslänge von 23 D (D = Außendurchmesser der Schneckenelemente), wovon 10,5 D Verfahrenslänge mit einer Schnecke von 2/3 D Steigung oder kleiner besetzt war, wurde ein Polymer mit 25 Gew.-% Ruß homogenisiert. Das gebildete Granulat wurde einer optischen Messung unterzogen. Es ist eine absolute Dispersion festgestellt worden, bei einer Teilchengröße von < 5 μm. Bislang konnte diese Qualität nur in einem mehrstufigen Verfahren auf Chargenkne- ter erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zum Homogenisieren und/oder Dispergieren wenigstens eines viskosen Stoffes und wenigstens eines Feststoffes und/oder wenigstens eines anderen Stoffes unterschiedlicher Viskosität, mit mindestens drei in einem Schneckenraum in einem Gehäuse längs eines Kreises mit gleichen Zentriwinkelabstand angeordneten achsparallelen rotierbaren Wellen, die zumindest teilweise mit dicht kämmend ineinandergreifenden Schneckenelementen versehen sind, wobei das Gehäuse an der radial außen- und innenliegenden Seite des Schneckenraumes mit achsparallelen konkaven die jeweilige Welle aufnehmenden Kreissegmenten und mit Öffnungen in den Schneckenraum versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (4) in dem Bereich außerhalb der Öffnungen (9, 11, 12) über eine Länge
(L=L1+L2+L3) , die wenigstens dem Zehnfachen des Außendurchmessers (D) der Schneckenelemente (6) entspricht, mit Schneckenelementen (6) versehen sind, die über eine Länge von wenigstens dem Dreifachen des Außendurchmessers
(D) der Schneckenelemente (6) eine Gangsteigung (S) von höchstens drei Viertel des Schneckenaußendurchmessers (D) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gangsteigung (S) höchstens zwei Drittel des Schneckenaußendurchmessers (D) beträgt.
3. Vorrrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenelemente (6) eingängig ausgeführt sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneckenelemente (6) im Querschnitt eine ellipsenartige Kontur aufweisen, wobei die Krümmung im Bereich der Hauptachse (A, B, A' , B') dem halben Schneckenaußendurchmesser (D) und im Bereich der Nebenscheitel (E, F, E' , F' ) dem axialen Abstand (Ax) zweier Wellen (4) minus dem halben Schneckenaußendurchmesser (D) entspricht.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammbreite (K) der Schneckenelemente (6) bei konstanter Gangsteigung (S) in einzelnen Axialbereichen (M, N) unterschiedlich ist.
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