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DE102004007479A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt Download PDF

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DE102004007479A1
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Abstract

Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt mit einem Extruder (1), wobei die Materialien verschiedene Schmelztemperaturen aufweisen, wobei mindestens eines der Materialien im Extruder (1) in einer ersten Verfahrenseinheit (2) zu einer ersten Schmelze plastifizierbar ist, ist im Hinblick auf eine besonders kostengünstige Ausgestaltung derart ausgestaltet, dass das zweite und/oder jedes weitere Material im Extruder (1) in der ersten Verfahrenseinheit (1) und/oder weiteren Verfahrenseinheiten (3) zu einer zweiten oder weiteren Schmelze plastifizierbar ist und im Extruder (1) mit der ersten Schmelze zu einem Produkt vermischbar ist. Des Weiteren ist ein entsprechendes Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt angegeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei, verschiedene Schmelztemperaturen aufweisenden Materialien zu einem Produkt mit einem Extruder, wobei mindestens eines der Materialien im Extruder in einer ersten Verfahrenseinheit zu einer ersten Schmelze plastifizierbar ist.
  • Es sind Vorrichtungen und Verfahren zur Verarbeitung bekannt, bei der zwei Materialien, z. B. eine Kautschukmischung und ein thermoplastisches Material – z.B. Polypropylen (PP) –, zu einem Produkt, beispielsweise ein Compound, verarbeitet werden. Diese Materialien weisen verschiedene Schmelztemperaturen auf. Die Glasumwandlungstemperatur von Kautschuken liegt in der Regel unter. Dem gegenüber beträgt die Schmelztemperatur von Thermoplasten in der Regel um oder über 170 °C. Thermoplaste ist hierbei ein Sammelname für verschiedene Thermoplast-Produktfamilien, die sich in der Zusammensetzung voneinander unterscheiden können.
  • Im Vergleich zum Kautschuk verfügen thermoplastischen Elastomeren, beispielsweise TPE, jeweils über spezifische Eigenschaften und Vorzüge, so dass bei einigen Anwendungen Kautschuk durch TPE ersetzt werden kann. Wegen ihrer thermoplastischen Konsistenz lassen sich TPE-Materialien gut plastifizieren und anschließend in fast jeder gewünschten Form gestalten, wobei sich hierfür sowohl die Verarbeitung zu einem Compound als auch die gängigen Verfahren der Kunststoffverarbeitung, wie Spritzguss- und Blasformverfahren, oder die Extrusion eignen.
  • Neben der getrennten Verarbeitung zweier Materialien wie von Kautschuk und TPE, ist auch die Herstellung von Compounds, beispielsweise Kautschukmischungen oder TPE-Compounds, bekannt. Solche Mischungen werden häufig diskontinuierlich in sogenannten Innenmischern hergestellt. Eine vorteilhafte kontinuierliche Herstellung von Produkten aus Materialien mit verschiedenen Schmelztemperaturen, z.B. Kautschuk und Thermoplast, ist aus der DE 101 34 701 A1 bekannt. Die dort offenbarte Vorrichtung umfasst einen Kurzschneckenextruder zum Aufschmelzen bzw. Plastifizieren des ersten Materials, hier Kautschuk, einen Doppelschneckenextruder zum Aufschmelzen des zweiten Materials, hier Thermoplast, sowie eine Zahnradpumpe, die zum Einbringen des einen Materials mit vorbestimmten Durchsatz und Temperatur in das andere Material dient. Plastifizieren wird im Zusammenhang mit Kautschuk verwandt, da dieser bei Raumtemperatur im Allgemeinen oberhalb der Glasumwandlungstemperatur vorliegt, also eine unterkühlte Schmelze darstellt. Falls das andere Material in Form eines Polymers wie Thermoplast vorliegt, wird dieses ebenfalls aufgeschmolzen. Mittels des aus der DE 101 34 701 A1 bekannten Verfahrens wird somit aufgeschmolzener Kautschuk mit vorgebbarer Temperatur und vorgebbarem Volumenstrom dem Doppelschneckenextruder zugeführt.
  • Werden in einer anderen Ausführung Kautschuk und Thermoplast zusammen plastifiziert bzw. aufgeschmolzen, so schmilzt auch hier der Thermoplast auf und bildet für das zweite Material einen Schmierfilm. Dadurch kann dann das zweite Material, beispielweise Kautschuk als Polymer, nicht genügend aufgeschmolzen bzw. plastifiziert werden. Wird in einer wiederum anderen Ausgestaltung zunächst der Kautschuk zugegeben und später der Thermoplast, ist auch hier zu wenig Scherung vorhanden, um den Thermoplast schnell genug in hinreichender Qualität aufzuschmelzen. Ferner ist bei dieser Ausgestaltung problematisch, dass die bereits plastifizierte Kautschukphase durch die Zugabe des Thermoplast bei Raumtemperaturlokal wieder abkühlt und zu nicht plastifizierten Partikeln im resultierenden Produkt führt.
  • Die hierzu verwendeten Vorrichtungen bzw. das angewendete Verfahren ist außerdem dahingehend zu verbessern, dass es maschinentechnisch einen hohen Aufwand bedeutet und hinsichtlich der Herstellung der zu verwendenden Vorrichtung teuer ist.
    •
  • Der vorliegenden Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem eine kostengünstige Verarbeitung von Produkten ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe hinsichtlich einer Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt derart ausgestaltet, dass das zweite und/oder jedes weitere Material im Extruder in der ersten Verfahrenseinheit oder in weiteren Verfahrenseinheiten zu einer zweiten oder weiteren Schmelze plastifizierbar ist und im Extruder mit der ersten Schmelze zu dem Produkt vermischbar ist.
  • Des weiteren ist die obige Aufgabe im Hinblick auf ein Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Danach ist ein Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt der eingangs genannten Art derart ausgestaltet, dass das zweite und/oder jedes weitere Material im Extruder in der ersten Verfahrenseinheit oder weiteren Verfahrenseinheiten zu einer zweiten oder weiteren Schmelze plastifiziert wird und diese im Extruder mit der ersten Schmelze zu dem Produkt vermischt wird.
  • In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass eine zeitliche und/oder örtliche Trennung der zwei Materialien mit verschiedenen Schmelztemperaturen vorgenommen werden sollte. In der aufgeschmolzenen bzw. plastifizierten Phase könnten dann die Materialien zusammengeführt, vorzugsweise in einer Mischeinheit, die beispielsweise durch einen Abschnitt des Extruders gebildet sein kann, werden und vorzugsweise durch eine Ausgabeeinrichtung aus dem Extruder ausgegeben werden. Insbesondere Thermoplast und Kautschuk bilden bei einer solchen Vorgehensweise eine besonders gute co-kontinuierliche Phase. In vorteilhafter Weise können so unvernetzte oder vernetzte Thermoplast-Kautschuk-Blends – TPE-O oder TPE-V – oder dergleichen, hergestellt werden. Demgemäss ist eine getrennte Aufschmelzung bzw. Plastifizierung mit nur einem Extruder besonders vorteilhaft. In weiter vorteilhafter Weise könnte es sich hierbei um einen Doppelschneckenextruder handeln.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung könnte der Extruder für vorzugsweise jedes Material mindestens eine Verfahrenseinheit, mit insbesondere unabhängigen Plastifizierzonen, aufweisen. Hierdurch könnte jede Verfahrenseinheit auf das zu extrudierende Material abgestimmt werden und somit eine optimale Verarbeitung und insbesondere Plastifizierung des jeweiligen Materials erreicht werden.
  • Im Rahmen einer besonders platzsparenden Ausgestaltung könnten die Verfahrenseinheiten durch Dichteinrichtungen derart voneinander getrennt sein, dass im wesentlichen kein Material von einer Verfahrenseinheit in eine andere übertritt. Es könnte somit ein unkontrollierter Materialübertritt von einer Verfahrenseinheit zur anderen an den direkten Schnittstellen der Verfahrenseinheiten im wesentlichen vermieden werden. Die Verfahrenseinheiten könnten hierbei durch speziell auf das jeweilige Material abgestimmte Schnecken gebildet sein. Insbesondere könnte es sich bei den Verfahrenseinheiten um gleichläufige Doppelschnecken handeln. Die unterschiedlichen Verfahrenseinheiten könnten dabei durch einen Motor angetrieben werden. Hierzu könnten die Verfahrenseinheiten innerhalb eines Extruderzylinders in besonders vorteilhafter Weise hintereinander und/oder mechanisch gekoppelt angeordnet sein. Die Verfahrenseinheiten könnten aber auch durch zwei oder mehr Antriebseinheiten angetrieben sein, um die Verfahrenseinheit wiederum besonders optimal auf das jeweilige, zu verarbeitende Material abzustimmen.
  • Hinsichtlich einer besonders bevorzugten Ausgestaltung könnte der Extruder mindestens einen Bypass aufweisen, über den die erste Schmelze in die zweite und/oder weitere Schmelze einleitbar ist. Dieser Bypass könnte als Schmelzeleitung ausgestaltet sein, die abhängig von dem ersten Material und/oder der Länge des Bypasses zusätzlich mit einer Heiz- und/oder Kühleinrichtung versehen werden könnte. Somit könnte die Schmelzetemperatur der ersten Schmelze besonders gut auf einem Niveau gehalten oder auf andere Temperaturwerte geregelt werden. Zusätzlich oder alternativ könnte bei einer zeitlichen Trennung der Plastifizierung der Bypass als Speicher, insbesondere als Kolbenspeicher ausgestaltet sein. In einer solchen Ausgestaltung könnte dann zunächst das erste Material plastifiziert werden und in den Kolbenspeicher eingeleitet werden. Dann könnte, vorzugsweise in der gleichen Verfahrenseinheit, das zweite oder weitere Material plastifiziert werden. Dass erste Material könnte nunmehr aus dem Kolbenspeicher in das in das plastifizierte zweite oder weitere Material einleitbar sein. Die Materialien könnten in jedem Fall durch eine Mischeinrichtung bzw. Mischeinheit zum Produkt mischbar sowie mittels einer Ausgabeeinrichtung ausgebbar sein.
  • Im Rahmen einer besonders guten Plastifizierung und Durchmischung der Materialien könnte der Einlass des Bypasses am Ende der Plastifizierzone des ersten Materials angeordnet sein und/oder der Auslass des Bypasses am Ende der Plastifizierzone des zweiten oder des weiteren Materials angeordnet sein. Bei der Verarbeitung von mehreren Materialien wäre es denkbar, dass die Materialien kaskadenartig über serielle Bypässe zusammengeschaltet werden, d. h. dass bei drei Materialien die erste Schmelze über einen ersten Bypass in die zweite Schmelze eingeleitet und die dann gemischte zweite Schmelze über einen zweiten Bypass in die dritte Schmelze eingeleitet wird. Zusätzlich oder alternativ hierzu wäre es möglich, dass die verschiedenen Materialien eigene Bypässe von dem Ende ihrer Plastifizierzone zu dem Ende der Plastifizierzone des letzten Materials aufweisen, so dass eine Durchmischung der Materialien erst nach der Plastifiziereinheit des letzten Materials, vorzugsweise in einer Mischeinheit, erfolgt. Die Durchmischung könnte hierbei durch eine Mischeinheit realisiert sein, die beispielsweise als eine Mischzone einer Extruderschnecke oder Extruderdoppelschnecke ausgestaltet ist. Es ist aber auch jede andere Art einer Mischeinheit denkbar.
  • Im Hinblick auf eine besonders gute Förderung des Materials im Bypass könnte am Einlass und/oder am Auslass des Bypasses und/oder im Bypass eine Pumpe, vorzugsweise eine Zahnradpumpe, angeordnet sein. Es könnte allerdings auch jede andere Art von Einrichtung, mittels derer plastifiziertes Material gefördert werden kann, angeordnet sein. Hierbei könnte in besonders vorteilhafter Weise der Druck und/oder der Volumenstrom, mit dem die Schmelze in die weitere Schmelze eingebracht wird, besonders gut geregelt werden. In einer weiteren Ausführung könnte der Zahnradpumpe ein Sieb nachgeschaltet sein, welches Verunreinigungen aus der Schmelze herausfiltert. Es ist allerdings auch möglich, dass die erste oder weitere Schmelze ausschließlich über den in der ersten Verfahrenseinheit aufgebauten Druck durch den Bypass gefördert wird.
  • Hinsichtlich einer besonders einfachen Ausgestaltung könnte eine Ausgabeeinrichtung angeordnet sein, welche beispielsweise als Spritzkopf ausgestaltet sein könnte. Durch diesen Spritzkopf könnte dann das Produkt aus dem Extruder ausgegeben werden. Es könnte aber auch jede andere Form von Ausgabeeinrichtungen, beispielsweise eine Breitschlitzdüse oder dergleichen, als Ausgabeeinrichtung, verwendet werden. Die Art der Ausgabeeinrichtung richtet sich hierbei nach der Verwendung des Produkts.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt könnte insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt gemäß den obigen Ausführungen dienen. Bei dem Verfahren ist vorteilhaft, dass eine besonders gute Durchmischung von mindestens zwei Materialien, beispielsweise geschmolzenem Thermoplast mit plastifizierten Kautschuk, erreicht wird und diese Materialien eine besonders gute, sogenannte co-kontinuierliche Phase bilden.
    •
  • Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
  • 1 in einer Seitenansicht, teilweise und schematisch, ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt und
  • 2 in einer Draufsicht, teilweise und schematisch, das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1.
  • 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei Materialien zu einem Produkt. Bei den zwei Materialien handelt es sich um Thermoplast und Kautschuk. Es wird somit eine unvernetzte thermoplastische Elastomermischung TPE-O hergestellt. Die Vorrichtung weist einen Extruder 1 auf, wobei der Extruder 1 eine Ausgabeeinrichtung- hier nicht dargestellt – aufweist. In diesem Ausführungsbeispiel wird das erste Material, in diesem Fall Thermoplast, im Extruder 1 zu einer ersten Schmelze plastifiziert.
  • In erfindungsgemäßer Weise wird das zweite Material, in diesem Fall Kautschuk, im Extruder 1 zu einer zweiten Schmelze plastifiziert und es wird im Extruder 1 die erste Schmelze, z.B. das geschmolzene Thermoplast, und die zweite Schmelze, z.B. der plastifizierte Kautschuk, zu dem Produkt in einer Mischeinheit des Extruders 1 ver mischt. Das Produkt wird dann mittels der Ausgabeeinrichtung aus dem Extruder 1 ausgegeben.
  • Das Ausführungsbeispiel der 1 weist für jedes Material jeweils eine Verfahrenseinheit 2 und 3 auf, wobei die Verfahrenseinheiten 2 und 3 durch ein Paar Doppelschnecken gebildet sind, die mechanisch gekoppelt und durch einen Antrieb – hier nicht dargestellt – angetrieben werden. Die Verfahrenseinheiten 2 und 3 weisen Plastifizierzonen 2' und 3' auf, in denen das erste und zweite Material plastifizierten werden. Die Verfahrenseinheiten 2 und 3 sind durch Dichteinrichtungen 4 derart voneinander getrennt, dass im wesentlichen kein Material von der Verfahrenseinheit 2 in die Verfahrenseinheit 3 übertritt. Zum Übertritt von Material von der ersten Verfahrenseinheit 2 in die zweite Verfahrenseinheit 3 weist der Extruder 1 einen Bypass 5 auf, der in 1 strichpunktiert dargestellt ist. Über diesen Bypass 5 wird der geschmolzene Thermoplast in die zweite Schmelze eingeleitet.
  • Der Einlass 6 des Bypasses 5 ist am Ende der Plastifizierzone 2' des ersten Materials angeordnet. Der Auslass 7 des Bypasses 5 ist am Ende der Plastifizierzone 3' des zweiten Materials angeordnet. Somit erfolgt eine Aufschmelzung des Thermoplast, wobei der Thermoplast in Form der Schmelze über den Bypass hinter die Plastifizierzone 3' des zweiten Materials, d. h. des Kautschuks, gefördert wird.
  • Im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist innerhalb des Bypasses 5 eine Zahnradpumpe – hier nicht dargestellt – angeordnet, um die Förderung des Thermoplast von der ersten Verfahrenseinheit 2 zu der zweiten Verfahrenseinheit 3 zu ermöglichen und den Druckaufbau der Fördereinheit vor der Dichtung zu minimieren, mit dem der plastifizierte Thermoplast in den plastifizierten Kautschuk eingebracht wird. Im weiteren Verlauf erfolgt eine Durchmischung der beiden Schmelzen durch den Doppelschneckenextruder, bevor das Produkt mittels der Ausgabeeinrichtung aus dem Extruder 1 ausgegeben wird.
  • 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung der 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen, wird auf die Ausführungen zu 1 verwiesen, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. 2 zeigt, dass ein weiterer, parallel geschalteter Bypass 5' vorgesehen werden kann – hier strichpunktiert darge stellt –, um eine bessere Durchmischung und Förderung der ersten Schmelze zu erreichen.
  • Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lehre wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
  • Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
    • 1
    Extruder
    2
    Verfahrenseinheit erstes Material
    2'
    Plastifizierzone erstes Material
    3
    Verfahrenseinheit zweites Material
    3'
    Plastifizierzone zweites Material
    4
    Dichteinrichtung
    5
    Bypass
    5'
    Bypass
    6
    Einlass des Bypasses
    7
    Auslass des Bypasses

Claims (8)

  1. Vorrichtung zur Verarbeitung von mindestens zwei, verschiedene Schmelztemperaturen aufweisenden Materialien zu einem Produkt mit einem Extruder (1), wobei mindestens eines der Materialien im Extruder (1) in einer ersten Verfahrenseinheit (2) zu einer ersten Schmelze plastifizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und/oder jedes weitere Material im Extruder (1) in der ersten Verfahrenseinheit (2) oder in weiteren Verfahrenseinheiten (3) zu einer zweiten oder weiteren Schmelze plastifizierbar ist und im Extruder (1) mit der ersten Schmelze zu dem Produkt vermischbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (1) für vorzugsweise jedes Material mindestens eine Verfahrenseinheit (2, 3) mit insbesondere unabhängigen Plastifizierzonen (2', 3') aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfahrenseinheiten (2, 3) durch Dichteinrichtungen (4) derart voneinander getrennt sind, dass im wesentlichen kein Material von einer Verfahrenseinheit (2, 3) in eine andere übertritt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (1) mindestens einen Bypass (5, 5') aufweist, über den die erste Schmelze in die zweite und/oder weitere Schmelze einleitbar ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (6) des Bypasses (5) am Ende der Plastifizierzone (2') des ersten Materials angeordnet ist und/oder der Auslass (7) des Bypasses (5) am Ende der Plastifizierzone (3') des zweiten oder des weiteren Materials angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass (6) und/oder am Auslass (7) des Bypasses (5, 5') und/oder im Bypass (5, 5') eine Pumpe, vorzugsweise eine Zahnradpumpe, angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausgabeeinrichtung angeordnet ist.
  8. Verfahren zur Verarbeitung von mindestens zwei, verschiedene Schmelztemperaturen aufweisenden Materialien zu einem Produkt, insbesondere zum Betreiben einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit einem Extruder (1), wobei mindestens eines der Materialien im Extruder (1) in einer ersten Verfahrenseinheit (2) zu einer ersten Schmelze plastifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite und/oder jedes weitere Material im Extruder (1) in der ersten Verfahrenseinheit (2) oder weiteren Verfahrenseinheiten (3) zu einer zweiten oder weiteren Schmelze plastifiziert wird und diese im Extruder (1) mit der ersten Schmelze zu dem Produkt vermischt wird.
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