-
"Verfahren zur Herstellung einer extrusionsfähigen Masse aus Kunststoff
sowie Schneckenstrangpresse zur Durch führung des Verfahrens11 Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer extrusionsfähigen Masse aus thermoplastischem
oder duroplastischem Kunststoff in Schneckenstrangpressen mit Planetenwalzen, wobei
der als Pulver oder Granulat vorliegende Kunststoff nach dem Stopfen im Bereich
der Planetenwalzen mastifiziert und plastifiziert sowie bis auf Extrusionsdruck
verdichtet wird. Derartige Verfahren und zu ihrer Burchführung geeignete Schneckenstrangpressen
sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt.
-
In Schneckenstrangpressen zur Verarbeitung von warmverformbaren Kunststoffmassen,
z. B. Thermoplaste und Duroplaste, sind zur Erzielung günstiger Waizwerkseffekte
planetenartig umlaufende Wälzkörper angeordnet, die von einer angetriebenen Sonnenwelle
über gegenseitige Planetengetriebeverzahnung von Sonnenwelle, Planetenwalzen und
Gehäuseinnenwand, zum planetartigen Umlauf zwischen Gehäusewand und Antriebs-Sonnenwelle
gezwungen sind.
-
Es ist bekannt, solche Planetwalzenaggregate entweder im Hochdruckteil
des Nassezylinders der Maschine, d. h. im Bereich der Düse, oder im Niederdruckteil
des Zylinders,
d. h. im Bereich des Aufgabetrichters, anzuordnen
(vergl. DE-PS 1 003 948; DT-PS 1 177 808).
-
Bei Anordnung der Planetenwalzen im Hochdruckteil des Nassezylinders
wird die Masse bei praller Ausfüllung des Walzraumes unter Verdüsungsdruck zur Homogenisierung
über Walzenspalteffekte mastifiziert. Die dabei erreichte Knetwirkung ist zwar sehr
intensiv, jedoch bei Anwendung einer wirtschaftlich rationellen Durchsatzleistung
nicht mehr beherrschbar. Der unter dem hohen Verdüsungsdruck stattfindende Vorschub
der Masse kann nur mit einer Geschwindigkeit durchgeführt werden, bei der noch keine
masseschädigenden Reibungsarbeitseinflüsse auftreten. Die zur Erfassung sämtlicher
Masseteile erforderliche Länge des Walzenaggregats kann zur Einhaltung zulässiger
Verarbeitungstemperaturen nicht angelegt werden.
-
Da die Anordnung von Planetwalzeraggregaten im Düsenbereich eines
Extruders, bei dem das im Düsenbereich der Maschine befindliche Ende einer Einschneckenpresse
als Sonnenwelle benutzt wird, an normale Einsohneckenextruderverfahren gebunden
ist, ist die Einsatzmöglichkeit solcher Planetwalzenextruder außerdem auf Verwendung
von für Einschneckenbetrieb besonders aufbereitete Rohstoffe, z. B. vorplastifiziertes
Granulat oder vorgesintertes Agglomerat angewiesen, wobei die Einschränkung nicht
durch Transportfunktionen der Schnecke, sondern durch Einwirkung der Transportfunktion
auf Plastifiziervorgänge verursacht wird.
-
Es ist bekannt, die Nachteile der beschriebenen Anordnungsweise von
Planetwalzen dadurch auszuschalten, daß das Planetwalzenaggregat, wenn es eine gewindeförmige
gegenseitig kämmende Schrägverzahnung besitzt, im Niederdruckteil des Extruders,
d. h. im Bereich des Aufgabetrichters, lediglich zur Ausführung der Walzarbeit,
also plastifizieren und mastifizieren, bei niedrigem Transportdruck, angeordnet
ist, und die Arbeit zur weiteren Hochdruckverforinimg von durchplastifizierter Masse
einer nachgeschalteten Preßeinrichtung, z. B. irucksohnecke, Rezipient, Kalanderwalzen,
überlassen wird. Die nachgeschaltete Preßeinrichtung kann dabei getrennt und regelbar
angetrieben werden; sie kann aber auch, insbesondere wenn sie als Verdüsungsaustragschnecke
vorhanden ist, mit der Sonnenwelle des Walzenaggregates verbunden sein, und von
dieser ihren Antrieb erhalten.
-
Von Planetwalzenaggregaten in der vorbeschriebenen Ausführung und
Anordnung kann der zugeführte zu verarbeitende Rohstoff in jeder vorkommenden Konsistenz,
z. 3. Granulat, Pulver oder Schnitzel, über die freien Räume zwischen jeweils zwei
Planetwalzen, entweder radial oder axial zu den Walzenachsen, zur kontinuierlichen
Verwalzung mit Plastifizier- und Mastifizierwirkung, aufgegeben werden. Den Vorschub
zur kontinuierlichen Verarbeitungsweise erhält die Masse dabei im wesentlichen über
den Verdrängereffekt der Gewindegänge, ähnlich wie dieser bei Nehrfachschnecken
vorhanden ist, jedoch im Gegensatz zu Mehrfachschneckenpressen
nicht
im prallgefüllten Verarbeitungsraum.
-
Bei horizontal arbeitenden Extrudern ist zur axialen Einspeisung aus
vertikal arbeitenden Vorratssilos eine Umlenkung des zugeführten Massestromes im
Winkel von beispielweise 90° erforderlich.
-
In Planetwalzenaggregaten in der vorbeschriebenen Ausführung und Anordnung
kann der zu verarbeitende Rohstoff nach Einschieben in die freien Räume zwischen
den Planetwalzen von den umlaufenden Walzen erfaßt, über Walzenspaltwirkung plastifiziert
und mastifiziert werden. Die durch Arbeiten der Planetenwalzen mit gegenseitig im
Eingriff stehenden Gewindegängen bedingten Verdränger-Transporteffekte veranlassen
einen Vorschub der Masse in Arbeitsrichtung zur kontinuierlichen Verarbeitungsmöglichkeit.
Die Fortbewegung der Masse durch Verdrängerwirkung wird unterstützt und beeinflußt
durch den stets erforderlichen Einfülldruck. Der Einfülldruck muß so groß sein,
daß zwar eine dosierte Menge Rohstoff mit Sicherheit zugeführt wird, der Arbeitsraum
aber nur locker gefüllt bleibt, damit der Zweck des so angeordneten Plastifizieraggregates
erfüllt wird, im kontinuierlichen Verarbeitungsverfahren die beim offenen Kunststoffwalzwerk
im diskontinuierlichen Verfahren vorhandenen günstigen Effekte auszunützen, nämlich
Dünnschichtplastifizierung bei hohem Spaltdruck und niedrigem Transportdruck, ungehinderte
Entgasunsmöglichkeit des hohen Luftanteils im Rohstoff und der beim Plastifizieren
verdampfenden schädlichen Bestandteile, z. B. Feuchtigkeit, Monomere vom Polymerisationsprozeß
usw. Die Entgasung
kann zum Aufgabetrichter hin ins Freie erfolgen,
aber auch über besonders angelegte Entgasungsstutzen, mit oder ohne Vakuumanlage,
durchgeführt werden.
-
Die Rohstoffzufuhr in das Planetwalzenaggregat kann mit für Extruderbetrieb
üblichen Vorrichtungen, die je nach Beschaffenheit des zu verarbeitenden Materials
besonders gestaltet sind, erfolgen. Rieselfähiges Material kann über eigene Schwerkraft,
evtl. gebremst, zudosiert werden. Nicht rieselfähiges Material, z. B.
-
backendes Pulver, bedarf fließverbessernder bzw.
-
fließermöglichender Rührwerkzeuge, zusätzlicher Stopfschnecken und
dgl.
-
Es ist bekannt, allgemein für Extruderbetrieb übliche Beschickungseinrichtungen
mit Vorverdichtungswirkung zur Erhöhung des Schüttgewichtes von pulverförmigem Rohstoff,
auch zur Beschickung von Planetwalzenextrudern zu verwenden. Die Erhöhung des Schüttgewichtes
läßt eine Steigerung der Durchsatzleistung erreichen, die etwa proportional der
Schüttgewichtserhöhung ist.
-
Wenn ein Rohstoffpulver, z. B. Suspensions-PVC, ein ursprüngliches
Schüttgewicht von 0,3 besitzt und beim Beschickungsvorgang über angelegten Einfülldruck
auf ein Schüttgewicht von 0,8 vorverdichtet wird, kann eine Leistungssteigerung
des Extruders von etwa 160 % erreicht werden.
-
Eine wesentlich höhere Schüttgewichtserhöhung muß bei den bekannten
Schneckenstrangpressen vermieden werden.
-
Bei Erreichung eines bestimmten Verdichtungsdruckes nimmt das Pulver,
auch rieselfähiges, eine Festkörperform an. Auf den Schneckengängen der Stopfschnecke
und im Zubringerraum zwischen Stopfschnecke und Druckschnecke entstehen fließbehindernde
Stopfen, die auch bei sägeartig gestalteten Stegen im Eingangsteil von Druckschneckengängen
nicht zerbröckelt und aufgenommen werden. Eintretende Selbsthemmung würde bei weiterer
Erhöhung des Einfülldruckes die Antriebsanlage der Stopfschnecke blockieren.
-
Bekannte Beschickungsanlagen mit Vorverdichtungswirkung besitzen in
der Regel einen vom Extruderantrieb unabhängigen eigenen, drehzahlgesteuerten Antrieb,
um eine dosierende Beschickung des Rohstoffes in Bezug auf Menge und Dichte bis
zur Grenze der Stopfenbildung durchführen zu können.
-
Allen diesen Schneckenstrangpressen bzw. den darauf praktizierten
Verfahren ist gemeinsam, daß der Durchsatz durch die Schneckenstrangpressen aus
den beschriebenen Gründen beschränkt ist.
-
Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs beschriebenen Art anzugeben, mit dem der Durchsatz durch Schneckenstrangpressen
wesentlich erhöht werden kann.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß der gestopfte
Kunststoff bis zur Bildung von Festkörpern vorverdichtet, anschließend im Einzugsbereich
der Planetenwalzen unter Druckabbau zerkleinert sowie danach mastifiziert, plastifiziert
und auf
Extrusionsdruck verdichtet wird. Verfährt man erfindungsgemäß
und verdichtet den gestopften Kunststoff unmittelbar vor dem Eintritt in die Planetenwalzen
bis zur Bildung von Festkörpern, dann ist eine Verstopfung der vor den Planetenwalzen
angeordneten Stopfschnecke bzw. Transportschnecke nicht zu befürchten, weil die
Festkörper mit hohem Druck zwischen die Planetenwalzen und das zugeordnete Sonnenrad
gedrückt werden und dort zerkleinert werden. Bei der Zerkleinerung im Einzugsbereich
der Planetenwalzen tritt gleichzeitig ein Druckabbau auf.
-
Der schließlich erreichte Druck soll nach bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung dem Stopfdruck entsprechen. Dieser Stopfdruck begünstigt die Entstehung
von Reibungswärme bei der Nastifizierung und Plastifizierung bzw. beim Vorschub
der Massen in den Verarbeitungsräumen zwischen den Planetenwalzen. Die dabei entstehende
Reibungswärme erhöht den Plastifiziereffekt. Durch Steuerung des Stopfdruckes bzw.
durch Dosierung der aufgegebenen Mengen kann eine günstige autogene Plastifizierung
erreicht werden.
-
Den beim Aufbau des Vorverdichtungsdruckes erforderlichen Gegendruck
erzeugen dabei die Planetenwalzen bzw. das Sonnenrad selbst, die mit Rücksicht auf
die entsprechende Querschnittsverengung im Massezylinder einen Fließwiderstand darstellen.
Zusätzlich trägt zum Aufbau eines Gegendruckes bei, daß beim Walzvorgang die zwischen
die Planetenwalzen gedrückte und in die Walzenspalte eingezogene Masse zunächst
nach
rückwärts, also entgegen der angestrebten Förderrichtung transportiert wird. Die
in Förderrichtung transportierende Verdrängerwirkung wirkt vorwiegend im Bereich
der Walzenspalte und bezieht sich im wesentlichen auf die bereits verwalzte bzw.
-
noch zu verwalzende Masse vor den Einzugsspalten.
-
Im Verarbeitungsraum zwischen den Planetenwalzen entsteht also ein
Druckgefälle, das dem Aufbau des erforderlichen Gegendruckes dient.
-
Als besonders vorteilhaft empfiehlt die Erfindung, wenn die Verhältnisse
so eingestellt werden, daß der Kunststoff auf etwa 30 atü vorverdichtet und im Einzugsbereich
der Planetenwalzen auf etwa 15 atü entspannt wird. Da die Druckentspannung spätestens
dann abgeschlossen ist, wenn der Massestrom eine Gewindesteigungslänge in Achsrichtung
der Planetenwalzen erreicht hat, kann mit Planetenwalzen herkömmlicher Länge gearbeitet
werden, ohne daß der Mastifizierungs- bzw. Plastifizierungseffekt beeinträchtigt
wird.
-
Die mit der Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin
zu sehen, daß durch Verdichtung des gestopften Kunststoffes bis zur Bildung von
Festkörpern und unmittelbar anschließende Zerkleinerung dieser Festkörper im Einzugsbereich
der Planetenwalzen eine beachtliche Steigerung der Durchsaszleistung von Schneckenstrangpressen
erreicht wird, die in der Größenordnung von 300 - 400 ffi gegenüber herkömmlicher
Verfahrensweise liegt.
-
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Schneckenstrangpresse zur Durchführung
des eingangs beschriebenen Verfahrens, bestehend aus Massezylinder mit Aufgabetrichter
und Extrusionsmundstück, im Bereich des Aufgabetrichters angeordneten, schräg verzahnten
Planetenwalzen mit Sonnenwelle und daran anschließender Druckschnecke sowie den
Planetenwalzen vorgeschalteter Stopfschnecke. Die erfindungsgemäße Schneckenstrangpresse
ist dadurch gekennzeichnet, daß die Stopfschnecke zur Verdichtung des als Pulver
oder Granulat aufgegebenen Kunststoffes bis zur Festkörperbildung ausgelegt sowie
unmittelbar vor den Planetenwalzen und dem Sonnenrad angeordnet ist. Nach bevorzugter
Ausführungsform der Erfindung soll die Stopfschnecke im Aufgabetrichter angeordnet
sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Erfindung so auszugestalten, daß
im Aufgabetrichter eine Einfüllpreßschnecke angeordnet ist, - während die Stopfschnecke
im Massezylinder unterhalb des Aufgabetrichters und vor den Planetenwalzen angebracht
ist. - Um eine Anpassung der betrieblichen Verhältnisse an die jeweiligen Bedingungen
und Voraussetzungen zu ermöglichen, empfiehlt die Erfindung, daß die Stopfschnecke
und/oder die Einfüllpreßschnecke einen eigenen, regelbaren Antrieb besitzen.
-
Im folgenden wirddie Erfindung anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert; es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Schneckenstrangpresse mit zugeordnetem Druckverlauf, der sich bei
Verwirklichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens einstellt.
-
Fig. 2 eine andere Ausführungsform des Gegenstandes nach Fig. 1, Fig.
3 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab.
-
Die in den Figuren dargestellte Schneckenstrangpresse besteht in ihrem
grundsätzlichen Aufbau aus einem Massezylinder mit Aufgabetrichter 23, 41 sowie
Extrusionsmundstück 21, 39. Im Bereich des Aufgabetrichters 23, 41 sind schräg verzahnte
Planetenwalzen 18, 34 mit zugeordneter Sonnenwelle 17, 33 angeordnet. Den Planetenwalzen
18, 34 bzw. dem Sonnenrad 17, 33 ist jeweils eine Stopfschnecke 16, 32 vorgeschaltet.
Diese Stopfschnecke 16, 32 dient zur Verdichtung des als Pulver oder Granulat der
Schneckenstrangpresse aufgegebenen Kunststoffes bis zur Bildung von Festkörpern.
Die Stopfschnecke 16, 32 ist unmittelbar vor den Planetenwalzen 18, 34 und dem Sonnenrad
17, 33 angeordnet. Zur Schneckenstrangpresse gehört auch eine Druckschnecke 19,
35, die die im Bereich der Planetenwalzen 18, 34 mastifizierte und plastifizierte
Masse in den Bereich des Extrusionsmundstückes 21, 39 transportiert und verdichtet.
Weiter sind in den Figuren die Ausstoßzone 20, 38 und die Umwandlungszone 22, 40
gekennzeichnet.
-
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist die Stopfschnecke
16 unmittelbar an das Sonnenrad 17 angeschlossen und im übrigen so ausgebildet,
daß sie den aufgegebenen Kunststoff bis zur Festkörperbildung verdichtet. Der in
der Ausführungsform nach Fig. 1 bei
Iurchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erreichte Druck wird durch die Kennlinien 24, 25, die durch eine gestrichelte
Linie verbunden sind, wiedergegeben. - Die Kennlinie 24 beginnt bei Punkt 26, der
einem Druck von ca. 1 atü im Aufgabetrichter 23 entsprechend dem Rohstoffgewicht
entspricht. Unter der Wirkung der Einfüllpreßschnecke 15 wird der Kunststoff nur
wenig vorverdichtet, beispielsweise auf ca. 15 atü im Punkt 27 vor dem Eintritt
in die Stopfschnecke 16. Die Kennlinie 25 beginnt im Punkt 27a, dessen Druckhöhe
der Druckhöhe des Punktes 27 entspricht, nämlich ungefähr 15 atü. Unter der Wirkung
der Stopfschnecke 16 wird der aufgegebene und gestopfte Kunststoff bis auf ca. 30
atü im Punkt 28 verdichtet. Bei diesen Drücken tritt bereits Festkörperbildung auf.
Die Festkörperbildung ist jedoch unschädlich, weil sie unmittelbar vor dem Eintritt
des verdichteten Kunststoffes in den-Verarbeitungsraum zwischen dem Sonnenrad 17
und den Planetenwalzen 18 erfolgt. Im Einzugsbereich der Planetenwalzen 18 erfolgt
bei gleichzeitiger Zerkleinerung der gebildeten Festkörper ein Druckabfall bis zum
Punkt 29, nämlich auf beispielsweise 15 atü. Dieser Druck bleibt während der Verarbeitung
des Kunststoffes in den Planetenwalzen 18 erhalten. Nach dem Übergang der verarbeiteten
Masse zur Druckschnecke 19 erfolgt bei weiterem Transport der Masse über die Länge
der Druckschnecke 19 ein beachtlicher Druckanstieg bis zum Punkt 31, der dem Extrusionsdruck
in Höhe von ca. 300 atü entspricht.
-
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Stopfschnecke
32 im Aufgabetrichter 41 angeordnet
und der Einzugsbereich 37 der
Planetenwalzen 34 mit Sonnenrad 33 befindet sich unmittelbar unterhalb des Aufgabetrichters.
Entsprechend dem Verlauf der Kennlinie in dem eingangs beschriebenen Beispiel beginnt
die Kennlinie 42 im Punkt 44 vor dem Wirkungsbereich der Stopfschnecke 32 und endet
im Einzugsbereich der Planetenwalzen 34 mit dem Punkt 45. Die Druckhöhe beträgt
auch hier ca. 30 atü. Der in der Figur horizontal dargestellte Teil der Kennlinie
43 beginnt im Punkt 45a im Einzugsbereich 37 der Planetenwalzen 34. Die Kennlinie
fällt entsprechend dem Druckabfall im Einzugsbereich 37 bis auf den Punkt 46, entsprechend
einer Druckhöhe von 45 atü und bleibt bis zum Ende der Planetenwalzen 34, entsprechend
dem Punkt 47 der Kennlinie 43 konstant. Anschließend steigt der Druck im Bereich
der Ausstoßzone 38 unter der Wirkung der Druckschnecke 35 bis auf den Extrusionsdruck
48, der in der Höhe von 300 atü liegt.
-
Während beim Walzprozeß die in das Planetwalzenaggregat eingeführte
Masse über Verdrängerwirkung der Gewindegänge in Arbeitsrichtung transportiert wird,
wird auch ständig ein kleiner von den Walzenspaltgrößen abhängiger Anteil der Masse
von den Walzenspalten in Drehrichtung eingezogen und entgegen der Arbeitsrichtung
wieder zurücktransportiert. Da die Verdrängerwirkung wesentlich wirksamer ist als
die Spalteinzugswirkung, tritt der gewünschte Transport nach erfolgtem Mischen von
verwalzter und verdrängter Masse auf jeden Fall ein.
-
Die bekannten Planetwalzenaggregate besitzen Walzen spaltgrößen, die
so bemessen sind, daß möglichst dünne Masseschichten entstehen. Die Wärmeaufnahmefähigkeit
der
Masse ist vom Quadrat der Masseschichtdicke abhängig.
-
Es erscheint daher logisch, kleinstmöglichste praktisch ausführbare
Spaltgrößen anzulegen. Bei bekannten Ausführungen wird ein Spaltmaß von 0,1 - 0,2
mm verwendet.
-
Es hat sich überraschenderweise ergeben, daß bei erfindungsgemäß gestalteten
und mit erfindungsgemäß verfahrenen Planetwalzenaggregaten wesentlich größere Walzenspalte,
z. B. 0,2 - 0,35 mm, vorteilhaft angewandt werden können. Die nach dem Stand der
Technik günstig erscheinende geringe Spaltgröße führt bei radikaler Ausnützung des
Walz-Arbeitsraumes, s , wie dies nach der Erfindung möglich ist, zu thermischer
Überbeanspruchung der Kunststoffmasse. Das größere Walzenspaltmaß läßt einerseits
noch g#enügend rasche Wärmeaufnahme zu, verwalzt jedoch annähernd die doppelte Menge
an Masse. Der dabei auftretende entsprechend größere Rücktransport trägt zur Erhöhung
der Nischwirkung bei.
-
Der Gesamttransport in Arbeitsrichtung wird dabei durch das wesentliche
Merkmal der Erfindung, nämlich angelegte Vorschubdrucksteuerung über den Zuführungsdruck
bei der Masseeinführung wieder so bemessen, daß ein pralles Füllen des Walzraumes
vermieden wird, also stets lockere entgasungsfähige Masse vorhanden ist.
-
In Fig. 3 ist der Halb-Querschnitt eines Planetwalzenaggregates mit
entsprechend großen Walzenspaltgrößen dargestellt.
-
Im Gehäuse 49 sind um die Sonnenwelle 50 mehrere Planetwalzen 51 im
Abstand 52 angeordnet. Bei Bewegung des
Walzensystems in Pfeilrichtungen
wird die lockere Masse 53 bei 54 zum Teil als Menge 55 in die Spalte 57 eingezogen
und zum Teil als Menge 56 als Wulst verdrängt. Die Schräggewinde 59, im Eingriff
abwechselnd Links- und Rechtsgewinde, sind so angelegt, daß verdrängte Masseteile
56 in Arbeitsrichtung gefördert werden. Die Spaltgröße 57 beträgt 0,2 - 0,35 mm.
-
Der Abstand 52 zwischen jeweils zwei Planetwalzen 51 kann so bemessen
sein, daß der freie Raum 58 zwischen jeweils zwei Planetwalzen 51 gerade die Größe
besitzt, daß die zugeführte klumpige Rohstoffmasse zwar erfassen bzw. zerbröckeln
und dann erfassen kann, jedoch ein so großer Eintrittswiderstand vorhanden ist,
daß der zur Vorverdichtung der Rohstoffmasse erforderliche Gegendruck beim Einschieben
des Rohstoffes entsteht.
-
Patentansprüche