DE102011009629B4

DE102011009629B4 - Extrusionsverfahren zur Verarbeitung von Kautschukmischung mit hohem Plastifizierbedarf

Info

Publication number: DE102011009629B4
Application number: DE102011009629.9A
Authority: DE
Inventors: Frank Reineke
Original assignee: KraussMaffei Berstorff GmbH
Current assignee: KraussMaffei Extrusion GmbH
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2011-01-28
Publication date: 2018-07-12
Anticipated expiration: 2031-01-29
Also published as: DE102011009629A1

Abstract

Extrusionsverfahren zum Ausformen eines kontinuierlichen endlosen Profilstrangs (11) aus Kautschukmischung (10) , bei dem eine nicht vorgewärmte Kautschukmischung (10) einem Einschneckenextruder (1) , im Wesentlichen bestehend aus Antrieb (2) , Schnecke (3) und Zylinder (4), zugeführt und von dessen rotierender Schnecke (3) an ein Planetwalzensystem (5) , im Wesentlichen bestehend aus Walzenzylinder (6) mit Planetwalzen (7) und Zentralspindel (8), übergeben wird, wobei die Zentralspindel (8) in einer zur Drehmomentübertragung geeigneten Weise mit der Schnecke (3) verbunden ist und von dieser mit angetrieben wird, und die Kautschukmischung (10) nachfolgend eine formgebende Austrittsdüse (9) passiert, mittels der die Kontur des endlosen Profilstrangs (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Massedruck p1 am austragseitigen Ende der Schnecke (3) größer als der Massedruck p2 am austragseitigen Ende des Planetwalzensystems (5) ist und p2 erheblich größer als der Massedruck p3 am Austritt des Profilstrangs (11) aus der Austrittsdüse (9) ist, wobei p3 an dieser Stelle gleich dem Umgebungsdruck pU ist und der Massedruck p auf dem Weg vom Ort x1 am Ende der Schnecke (3), welche mit der Zentralspindel (8) in einer zur Drehmomentübertragung geeigneten Weise verbunden ist, zum Ort x3 am Austritt des endlosen Profilstrangs (11) aus der Austrittsdüse (9), über den gesamten Weg streng monoton fällt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Extrusionsverfahren zur Verarbeitung von Kautschukmischung mit hohem Plastifizierbedarf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
An moderne LKW-Reifen werden heute in Bezug auf Laufleistung und Lebensdauer extreme Anforderungen gestellt. Für die hoch belasteten Laufflächen solcher Reifen werden deshalb Kautschukmischungen verwendet, die einen hohen Anteil an Naturkautschuk (NR) enthalten. Neben deren ausgezeichneter Abriebfestigkeit im vulkanisierten Zustand, gestaltet sich das temperaturhomogene Aufwärmen von solchen hoch NR-haltiger Kautschukmischungen im Extrusionsprozess jedoch schwierig. In der Praxis reicht bei Kaltfütterung nicht einmal die vergleichsweise gute Homogenisierleistung eines Einschnecken-Stiftextruders aus, um eine hoch NR-haltige Kautschukmischung ausreichend temperaturhomogen zu plastifizieren. Nach dem Stand der Technik wird einem Extruder bei Verarbeitung von Kautschukmischung mit hohem Plastifizierbedarf deshalb ein sogenanntes Vorwärm-Walzwerk vorgeschaltet, welches dann einen großen Teil der erforderlichen temperaturhomogenen Plastifizierung anstelle des Extruders übernimmt. Die vom Walzwerk vorgewärmte und vorplastifizierte Kautschukmischung wird zur weiteren Verarbeitung dann warm in den nachfolgenden Extruder gefüttert und von diesem zu einem Profilstrang ausgeformt.
Vorwärm-Walzwerke sind für die Produktion jedoch mit erheblichen Nachteilen verbunden. Die Anschaffung von Walzwerken ist teuer, zu deren Betrieb neben dem Produktionsextruder wird zusätzlicher Platz in der Produktionsstätte benötigt. Zudem ist die Beschickung und Bedienung von Walzwerken aufwändig und gefährlich für den Bediener. Die Problematik des temperaturhomogenen Plastifizierens von kalten, hoch NR-haltigen Kautschukmischungen bei wirtschaftlichem Durchsatz, konnte bis heute weder über die Mischungsrezeptur noch über die Schneckengeometrie des Einschnecken-Extruders befriedigend gelöst werden.
Auch mittels Doppelschneckenextruder, wie er aus der DE 10 2007 051 923 A1 bekannt ist, war es bislang nicht möglich, zu einer besseren Homogenisierleistung, mit einem dem Einschneckenextruder vergleichbaren Wirkungsgrad bezüglich Durchsatz und Temperaturbelastung der Mischung, zu kommen. Obwohl nachteilig, stellt der Einsatz von Vorwärm-Walzwerken vor dem Produktionsextruder bei der Herstellung von LKW-Laufstreifen deshalb noch immer den Stand der Technik dar.
Aus der DE 10 2007 041 486 A1 ist ein mehrmoduliger Extruder für die Kunststoffverarbeitung bekannt, bei dem ein Einschneckenextrudermodul ein Planetwalzenmodul füttert. Es wird erwähnt, dass das Planetwalzenmodul zumeist dem Druckaufbau dient.
Aus der DE 39 08 415 A1 ist bekannt, dass Gummimischungen unter Verwendung eines Planetwalzextruders verarbeitet werden können.
In der DE 2 158 246 A ist eine Vorrichtung zum Strangpressen von Kunststoffen beschrieben, bei der ein Planetenwalzsystem zwischen zwei Einschneckenextrudern angeordnet ist. Ein derartiges System, das für die Verarbeitung von Kunststoff entwickelt wurde, ist vergleichsweise aufwendig und für die Verarbeitung von Gummi nur schlecht geeignet.
Der Gegenstand der Erfindung offenbart eine neue technische Lösung für die Verarbeitung von kalten, nicht vorgewärmten Streifen aus Naturkautschukmischung mit hohem Plastifizierbedarf und vermeidet dabei die Nachteile des aktuellen Stands der Technik.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Extrusionsverfahren zur Verarbeitung von schwierig zu plastifizierenden, kalten, nicht vorgewärmten Kautschukstreifen zu schaffen, wobei eine hohe wirtschaftliche Durchsatzleistung gegen hohen Extrusionswiderstand, eine hohe Plastifizierleistung zum temperaturhomogenen Aufwärmen der Mischung, eine konstante, pulsationsarme Förderung, eine geringe Temperaturbelastung der Kautschukmischung, ein gutes Einzugverhalten für kalte Kautschukstreifen von Palette, eine kompakte Bauweise für Anschluss/Nachrüstung an übliche Mehrfachspritzköpfe, eine hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit sowie eine einfache Bedienung bei insgesamt geringen Anschaffungskosten gefordert ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einem Extrusionsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Um alle gestellten Anforderungen zu erfüllen, vereint der Gegenstand der Erfindung auf einfache und vorteilhafte Weise die Eigenschaften eines Einschneckenextruders, vorzugsweise eines Stiftextruders mit den Vorzügen eines Planetwalzenextruders.
Bekanntermaßen fördert ein Einschneckenextruder die Mischung aufgrund von Reibung entlang der drehenden Schnecke durch den stillstehenden Zylinder des Extruders hindurch zu dessen Ausgang. Schnecke und Zylinder des Extruders werden dabei üblicherweise mit einer Temperierung ausgestattet. Der erforderliche Massedruck, der notwendig ist, um die Masse gegen den Widerstand einer formgebenden Austrittsdüse am Ausgang des Extruders ins Freie zu drücken, wird dabei über die Schneckenlänge aufgebaut. Inhaltlich sei dabei ein vorhandenes Spritzkopfgehäuse, welches die Mischung über Materialkanäle zur Austrittsdüse leitet, in den verwendeten Begriff der Austrittsdüse mit eingeschlossen.
Um in der Praxis den störungsfreien Einzug von kalten Kautschukstreifen zu gewährleisten, sind kaltgefütterte Extruder in der Regel mit angetriebenen Speisewalzen ausgestattet. Bei der Extrusion dieser relativ hochviskosen Kautschukmischungen lassen sich bei entsprechender Gestaltung der Schnecke, selbst gegen hohen Extrusionswiderstand, sehr hohe, wirtschaftliche Durchsatzleistungen erzielen. In der Praxis, insbesondere bei der kaltgefütterten Verarbeitung von hoch NR-haltiger Kautschukmischung, wird der Durchsatz jedoch häufig dadurch begrenzt, dass selbst ein Stiftextruder, bezogen auf den geforderten Durchsatz, eine nur unzureichende Homogenisier- und Plastifizierleistung aufweist.
Beim Planetwalzenextruder handelt es sich im Wesentlichen um einen dynamisch mischenden Wärmetauscher, dessen Verfahrensteil aus Walzenzylinder mit Planetwalzen und Zentralspindel, ähnlich einem Planetengetriebe aufgebaut ist. Durch eine Drallverzahnung im Planetwalzensystem, bei der das Planetenwalzsystem mit 45°-Schrägverzahnung ausgestattet ist, entsteht ein kontinuierliches Auswalzen des Materials bei gleichzeitiger Förderung in Drallrichtung. Walzenzylinder und Zentralspindel des Planetwalzenextruders werden üblicherweise mit einer Temperierung ausgestattet.
Zum Erreichen der bestmöglichen Mischwirkung zusammen mit maximaler Temperaturkontrolle über den Prozess, wird ein Planetwalzensystem, zumindest abschnittweise, immer nur teilgefüllt betrieben. Während die physikalische Mischwirkung und die Temperaturkontrolle dabei über den gesamten Prozess im Planetwalzensystem hervorragend sind, kann eine wirtschaftliche Durchsatzleistung gegen hohen Extrusionswiderstand, wegen der erforderlichen Teilfüllung des Systems, nur mit Hilfe eines zusätzlich nachgeschalteten Druckerzeugers realisiert werden. In der Praxis wird dem Planetwalzenextruder deshalb ein Schneckenextruder als Kaskade oder eine Zahnradpumpe nachgeschaltet. Diese Aggregate erzeugen dann den erforderlich Massedruck, der zum Überwinden des Extrusionswiderstandes beim endgültigen Ausformen der verarbeiteten Kautschukmasse, z. B. mittels Austrittsdüse oder Granulatorscheibe, nötig ist. Aufgrund der ausgezeichneten Mischwirkung und der hervorragenden Temperaturkontrolle über den gesamtem Mischprozess werden Planetwalzenextruder heute erfolgreich bei der Herstellung und Aufbereitung von thermisch empfindlichem PVC, sowie anderen Kunststoffmassen wie PP und PE, eingesetzt. Ein weiteres Anwendungsfeld für Planetwalzenextruder stellt darüber hinaus das kontinuierliche, physikalische Mischen von Elastomerwerkstoffen als Alternative zum Innenmischer oder Kneter bei der Mischungsherstellung dar.
Um Missverständnissen vorzubeugen, sei darauf hingewiesen, dass ein Planetwalzenextruder weder in Bezug auf Mechanik noch in Bezug auf Verfahrenstechnik mit dem sogenannten Ringextruder vergleichbar ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Extrusionsaggregats,
2 einen Schnitt durch den Verfahrensteil eines Planetwalzenextruders und
3 einen beispielhaften Druckverlauf, vom Einzug der Kautschukmischung in den Extruder bis zum Austritt des Profils, aufgetragen entlang des Weges der Kautschukmischung durch das erfindungsgemäße Extrusionsaggregat.

Der Gegenstand der Erfindung sieht vor, einem Einschneckenextruder 1 für die Kautschukverarbeitung, welcher mit einer speziellen, für hohen spezifischen Durchsatz gegen großen Extrusionswiderstand gestalteten Schnecke 3 ausgestattet ist, ein Planetwalzensystem 5 nachzuschalten. Die 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Extrusionsaggregats, im Wesentlichen bestehend aus Schneckenextruder 1, Planetwalzensystem 5 sowie Austrittsdüse 9. Die 2 stellt einen Schnitt durch den mit Kautschukmischung 10 vollständig gefüllten Verfahrensteil des Planetwalzensystems 5, im wesentlichen bestehend aus Walzenzylinder 6 mit Planetwalzen 7 und Zentralspindel 8 dar.
Die Neuheit der Erfindung liegt insbesondere darin, die Fördercharakteristik der Schnecke 3 so abzustimmen, dass diese das Planetwalzensystem 5, gegen die summierten Extrusionswiderstände aller der Schnecke 3 nachfolgenden Komponenten, mit einem größeren Volumenstrom an Kautschukmischung 10 beliefert, als das Planetwalzensystem 5 selbst, aufgrund seiner eigenen Förderfähigkeit gegen den Extrusionswiderstand der Austrittsdüse 9, in der Lage wäre zu fördern.
Hieraus resultiert dann zum einen, dass das Planetwalzensystem 5 über seine gesamte Länge mit Kautschukmischung 10 vollkommen gefüllt und unter Druck durchströmt wird und genau wie die Austrittsdüse 9 nach außen nur als Druckverbraucher in Erscheinung tritt. Zum anderen resultiert daraus, dass nahezu der gesamte, zum Durchströmen des Planetwalzensystems 5 und der Austrittsdüse 9 benötigte Massedruck p, von der Schnecke 3 des vorgeschalteten Schneckenextruders 1 erzeugt werden muss.
Bezogen auf den Massedruck p in Relation zum jeweiligen Ort der Kautschukmischung 10 im System bedeutet dies physikalisch, dass der Massedruck p1 > p2 >> p3 = pU = 1013 mbar ist und der Massedruck p auf dem Weg vom Ort x1 am Ende der Schnecke 3 , welche mit der Zentralspindel 8 in einer zur Drehmomentübertragung geeigneten Weise verbunden ist, zum Ort x3 am Austritt des endlosen Profilstrangs 11 aus der Austrittsdüse 9, über den gesamten Weg streng monoton fällt, wie dies beispielhaft in 3 dargestellt ist.
Als Folge der Vollfüllung im Bereich des Planetwalzensystems 5 reduziert sich gleichwohl dessen sehr hohe Mischleistung und ebenso dessen hervorragende Prozesstemperatur-Kontrolle im Vergleich zum üblichen, nur teilgefüllten Betrieb eines Planetwalzenextruders. Da die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, jedoch nicht die Herstellung einer Kautschukmischung durch physikalisches Mischen ist, kann eine gewisse Reduzierung der Verfahrenstechnik im Planetwalzensystem 5 durchaus hingenommen werden.
Durch die vielfache aktive Umlagerung und das ständige dünne Auswalzen der Kautschukmischung 10 an jeder einzelnen Planetwalze 7, steht selbst bei einer Vollfüllung des Planetwalzensystems 5 unter Druck, noch immer eine gegenüber jedem Stiftextruder vielfach höhere Homogenisierleistung zur Verfügung. Aufgrund der großen Oberflächen, die bei einer Umdrehung der Zentralspindel 8 abgetauscht wird, ist das Planetwalzensystem 5 darüber hinaus in der Lage, mittels Temperiereinrichtung eine erhebliche Menge an Energie aus der Kautschukmischung 10 abzuführen. Die gestellte Aufgabe des temperaturhomogenen Plastifizierens einer Kautschukmischung 10 wird vom Planetwalzensystem 5 somit selbst bei Vollfüllung unter Druck und auch bei schwierigsten Mischungseigenschaften noch hervorragend gelöst.
Im Wesentlichen wird durch die Erfindung die einfache Handhabung eines Schneckenextruders 1 sowie dessen hoher Durchsatz, selbst gegen erheblichen Extrusionswiderstand, mit der Temperaturkontrolle und Homogenisierleistung eines Planetwalzensystems 5 kombiniert. Der Schneckenextruder 1 übernimmt dabei in bewährter Weise das Einziehen der kalten Kautschukmischung 10 und deren Vorplastifizierung sowie den Druckaufbau der zum Durchströmen des Gesamtsystems, bestehend aus 1, 5 und 9, erforderlich ist. Das angeschlossene Planetwalzensystem 5 plastifiziert und homogenisiert die Kautschukmischung 10 dann mittels mehrfachem Dünnwalzen und Umlagern in exzellenter Weise, bevor die Kautschukmischung 10 durch die Austrittsdüse 9 zu einem Profilstrang 11 ausgeformt wird.
Der Gegenstand der Erfindung ist als kompakte Einheit aus Schneckenextruder 1 mit Planetwalzensystem 5 zugleich robust und zuverlässig und ermöglicht es auf kostengünstige und einfache Weise eine kalte, hoch NR-haltige Kautschukmischung als Streifen einzuziehen, ausreichend temperaturhomogen zu plastifizieren und als kontinuierlichen Profilstrang zu extrudieren. Insbesondere im Vergleich zur heutigen Herstellung von LKW-Laufstreifen offenbart die Erfindung die Möglichkeit, hoch NR-haltige Kautschukmischung 10 wirtschaftlicher, platzsparender und sicherer zu Verarbeiten, ohne dabei die Qualität der extrudierten Mischung zu beeinträchtigen.
Bezugszeichenliste

1: Schneckenextruder (Einschneckenextruder)
2: Antrieb
3: Schnecke
4: Zylinder
5: Planetwalzensystem
6: Walzenzylinder
7: Planetwalze
8: Zentralspindel
9: Austrittsdüse
10: Kautschukmischung
11: Profilstrang
x0: Ort am Einzug der Schnecke
x1: Ort am austragseitigen Ende der Schnecke
x2: Ort am austragseitigen Ende der Planetwalzensystems
x3: Ort am Austritts aus der Austrittsdüse
p: Massedruck
p1: Massedruck am Ort x1
p2: Massedruck am Ort x2
p3: Massedruck am Ort x3
pU: Umgebungsdruck (= 1013 mbar)

Claims

Extrusionsverfahren zum Ausformen eines kontinuierlichen endlosen Profilstrangs (11) aus Kautschukmischung (10) , bei dem eine nicht vorgewärmte Kautschukmischung (10) einem Einschneckenextruder (1) , im Wesentlichen bestehend aus Antrieb (2) , Schnecke (3) und Zylinder (4), zugeführt und von dessen rotierender Schnecke (3) an ein Planetwalzensystem (5) , im Wesentlichen bestehend aus Walzenzylinder (6) mit Planetwalzen (7) und Zentralspindel (8), übergeben wird, wobei die Zentralspindel (8) in einer zur Drehmomentübertragung geeigneten Weise mit der Schnecke (3) verbunden ist und von dieser mit angetrieben wird, und die Kautschukmischung (10) nachfolgend eine formgebende Austrittsdüse (9) passiert, mittels der die Kontur des endlosen Profilstrangs (11) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Massedruck p1 am austragseitigen Ende der Schnecke (3) größer als der Massedruck p2 am austragseitigen Ende des Planetwalzensystems (5) ist und p2 erheblich größer als der Massedruck p3 am Austritt des Profilstrangs (11) aus der Austrittsdüse (9) ist, wobei p3 an dieser Stelle gleich dem Umgebungsdruck pU ist und der Massedruck p auf dem Weg vom Ort x1 am Ende der Schnecke (3), welche mit der Zentralspindel (8) in einer zur Drehmomentübertragung geeigneten Weise verbunden ist, zum Ort x3 am Austritt des endlosen Profilstrangs (11) aus der Austrittsdüse (9), über den gesamten Weg streng monoton fällt.