DE102011101852A1

DE102011101852A1 - Plastifiziereinrichtung für Kunststoffe

Info

Publication number: DE102011101852A1
Application number: DE102011101852A
Authority: DE
Inventors: Dr. Hennes Jochen
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-11-22
Also published as: CN102814968B; CN102814968A; ITMI20120714A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Plastifiziereinrichtung für Kunststoffe mit einem Zylinder und mindestens einer drehbar in dem Zylinder angeordneten Schnecke, die ein Scher- und Mischteil zum Scheren und Mischen des plastifizierten Kunststoffes aufweist, wobei das Scher- und Mischteil ein Wirkelement mit mehreren als nutförmige Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildeten und in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden Einlass- und Auslasskanäle aufweist, wobei die Einlasskanäle entgegen der Förderrichtung des Kunststoffes und die Auslasskanäle in Förderrichtung des Kunststoffes geöffnet sind und zwischen einem Einlasskanal und dem benachbarten Auslasskanal ein den Übertritt des Kunststoffes ermöglichender Scherspalt zur Zylinderwandung und in entgegengesetzter Umfangsrichtung zwischen dem Auslasskanal und dem nachfolgenden Einlasskanal ein den Übertritt des Kunststoffes verhindernder Dichtspalt zur Zylinderwandung ausgebildet ist, wobei die Schnecke mit mindestens drei in Förderrichtung in einem Abstand aufeinanderfolgend angeordneten Wirkelementen ausgerüstet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Plastifiziereinrichtung für Kunststoffe mit einem Zylinder und mindestens einer drehbar in dem Zylinder angeordneten Schnecke, die ein Scher- und Mischteil zum Scheren und Mischen des plastifizierten Kunststoffes aufweist, wobei das Scher- und Mischteil ein Wirkelement mit mehreren als nutförmige Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildeten und in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden Einlass- und Auslasskanälen aufweist, wobei die Einlasskanäle entgegen der Förderrichtung des Kunststoffes und die Auslasskanäle in Förderrichtung des Kunststoffes geöffnet sind und zwischen einem Einlasskanal und dem benachbarten Auslasskanal ein den Übertritt des Kunststoffes ermöglichender Scherspalt zur Zylinderwandung und in entgegengesetzter Umfangsrichtung zwischen dem Auslasskanal und dem nachfolgenden Einlasskanal ein den Übertritt des Kunststoffes verhindernder Dichtspalt zur Zylinderwandung ausgebildet ist.
Beim Aufschmelzen und Homogenisieren von nicht vernetzenden Polymeren werden heute überwiegend Extruder als Plastifiziereinrichtungen mit ein oder zwei Schnecken im Zylinder eingesetzt. Insbesondere bei Einschneckenextrudern kommen eine Vielzahl von Misch- und Scherteilen zum Einsatz, die dafür sorgen, dass die Polymerschmelze möglichst homogen aus dem Extruder ausgetragen wird.
Diese thermische und mechanische Homogenität sollte dabei im Schneckenkanal nicht nur radial und axial, sondern auch in Umfangsrichtung möglichst optimal vorliegen, wobei die Temperatureinbringung, d. h. die durch die Einwirkung der Misch- und Scherteile bedingte Erhöhung der Schmelzetemperatur möglichst gering ausfallen soll.
Die Variantenvielfalt der einzelnen Misch- und Scherteile ist inzwischen nahezu unzählig, als ein Beispiel sei auf die DE 10 2006 011 069 A1 verwiesen.
Zur Erhöhung der Scherleistung ist es auch bereits bekannt, zwei Scherteile hintereinander zu verwenden, jedoch wird hierdurch üblicherweise ein großer Teil der zur Verfügung stehenden Schneckenlänge verbraucht, was entweder Einbußen in der zur Verfügung stehenden Länge des Plastifizierabschnittes oder aber bei Erhöhung der Gesamtlänge der Plastifiziereinrichtung die damit einhergehenden Aufwandserhöhungen zur Folge hat.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Plastifiziereinrichtung mit Scher- und Mischteil im Bereich der Schnecke vorzuschlagen, die eine Verbesserung der verteilenden Mischwirkung ohne Erfordernis einer großen Länge des Scher- und Mischteiles mit sich bringt.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß die Ausgestaltung einer Plastifiziereinrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 vorgeschlagen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung schlägt vor, dass die Schnecke mit mindestens drei in Förderrichtung in einem Abstand aufeinanderfolgend angeordneten Wirkelementen ausgerüstet ist.
Insoweit liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Schmelze z. B. bei an sich bekannten Maddock-Scherteilen mit einem Wirbel gedreht wird, was zu einer hervorragenden distributiven Mischung der Schmelze in einem Kanal des Scherteils zur Schmelze außerhalb des Kanals führt. Die Schmelze in einem einzelnen Kanal wird jedoch nur geringfügig distributiv in sich vermischt. Die gute distributive Mischung zur Umgebung bleibt auch bei einer kurzen Länge des Scherteils erhalten.
Wenn nun in der erfindungsgemäßen Weise mehrere, d. h. hier nach dem erfindungsgemäßen Vorschlag mindestens drei Wirkelemente des eingangs genannten Aufbaus hintereinander aufgereiht werden, gelangt man insgesamt zu einer besonders guten Homogenität, ohne dass der Raumbedarf des gesamten Scher- und Mischteiles erhöht wird, da jedes einzelne Wirkelement sehr kompakt gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine hervorragende dispersive und distributive Mischung über eine sich einstellende Dehnströmung in den einzelnen Wirkelementen erreicht, denn die Aneinanderreihung von mindestens drei Wirkelementen führt zu einer wünschenswerten Abwechslung von distributiver Mischung in den einzelnen Wirkelementen und dispersiver Mischung zwischen den einzelnen Wirkelementen, wodurch Temperaturspitzen vermieden werden.
Zur weiteren Steigerung der Mischwirkung wird vorgeschlagen, dass die Auslaufkanäle eines Wirkelementes gegenüber den Einlaufkanälen des nachfolgend angeordneten Wirkelementes in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, so dass die in den Kanälen eines Wirkelementes distributiv gemischte Schmelze nach dem Austritt aus den Auslaufkanälen eine Bewegung in Umfangsrichtung des Scher- und Mischteiles absolvieren muss, um zum nächsten Einlasskanal des nachfolgenden Wirkelementes zu gelangen, wodurch im Anschluss an die in den einzelnen Wirkelementen erfolgende distributive Mischung auch eine wünschenswerte dispersive Mischung der Schmelze jeweils im Wechsel durchgeführt wird.
Die einzelnen Wirkelemente der erfindungsgemäßen Plastifiziereinrichtung können zur Sicherstellung einer kurzen Gesamtbaulänge des Scher- und Mischteiles eine sich in Förderrichtung erstreckende Länge aufweisen, die maximal dem Schneckendurchmesser entspricht. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Plastifiziereinrichtung kann beispielsweise bei Längen der einzelnen Wirkelemente von 1D; 0,7D; 0,5D, 0,3D und 0,2D in vorteilhafter Weise beobachtet werden.
Besonders geeignet erscheinen Längen der einzelnen Wirkelemente von 0,5D oder weniger, wie 0,4D bis 0,2D.
Darüber hinaus kann der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Wirkelementen ebenfalls begrenzt werden, sollte jedoch nach einem Vorschlag der Erfindung mündestens das 0,1-fache des Schneckendurchmessers D betragen, wobei jedoch auch Abstände von 0,2D; 0,3D und 0,5D hoch wirksam sind. 0,2D sind unter dem Gesichtspunkt der Optimierung von Platzbedarf und Funktionalität besonders bevorzugt.
Dieser Abstand kann durch einen ringförmigen Mischraum zwischen den aufeinanderfolgenden Wirkelementen definiert werden, über den die Auslaufkanäle eines Wirkelementes mit den Einlasskanälen des nachfolgenden Wirkelementes kommunizieren.
Im Rahmen dieser Dimensionierung ist es möglich, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagene Plastifiziereinrichtung mit einem Scher- und Mischteil einer nur geringfügig über 2D liegenden Länge des Scher- und Mischteiles auszubilden.
In Versuchen hat sich gezeigt, dass der Schmelze innerhalb dieses Scher- und Mischteiles nur geringe Möglichkeit zur Anhaftung geboten wird und die Scherung wünschenswerterweise in tangentialer Richtung erfolgt.
Weitere Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 in schematisierter Darstellung einen Schnitt durch eine Plastifiziereinrichtung gemäß der Erfindung;
2 das Scher- und Mischteil der Plastifiziereinrichtung gemäß 1 im Detail.
Aus der 1 ist eine Plastifiziereinrichtung für Kunststoffe in Form eines an sich bekannten Extruders, hier als Einschneckenextruder dargestellt, ersichtlich.
Die Plastifiziereinrichtung 1 umfasst einen Zylinder 11 mit einer drehbar darin gelagerten Schnecke 10, die mit einem Ende 103 aus dem Zylinder herausragt und in diesem Bereich mit einem nicht näher dargestellten Antriebsmotor für den Drehantrieb verbindbar ist.
Der Zylinder umfasst eine mit Bezugszeichen 111 gekennzeichnete Einfüllöffnung für den zu plastifizierenden Kunststoff, der von der Schnecke erfasst und in Förderrichtung F bei Rotation derselben zu einer Auslassöffnung 112 gefördert wird, aus der der plastifizierte Kunststoff in ein hier nicht dargestelltes nachgeordnetes Werkzeug zur weiteren Verarbeitung austritt.
Die Schnecke 10 weist eine mit Bezugszeichen 100 gekennzeichnete Plastifizierzone auf, in welcher der über die Einlassöffnung 111 aufgegebene Kunststoff zunächst gefördert und durch Friktion, Dissipation und Heizeinrichtungen plastifiziert wird, hieran schließt sich das mit Bezugszeichen 101 gekennzeichnete Scher- und Mischteil an, sowie die mit 102 gekennzeichnete Schneckenspitze.
Das Scher- und Mischteil 101 der Schnecke 10 ist aus der 2 in genaueren Einzelheiten ersichtlich.
Das Scher- und Mischteil 101 umfasst hier insgesamt vier in Förderrichtung F hintereinander aufgereihte Wirkelemente 2, die jeweils in einem Abstand A voneinander angeordnet sind, wobei dieser Abstand A zwischen den einzelnen Wirkelementen 2 gleich (wie dargestellt) oder auch unterschiedlich ausfallen kann.
Beispielsweise kann der Abstand A 0,1D; 0,2D; 0,3D oder 0,5D betragen, wobei D der Schneckendurchmesser ist.
Infolge der Beabstandung im Abstand A wird ein nachfolgend noch erläuterter ringförmiger Mischraum M zwischen den Wirkelementen 2 definiert.
Jedes Wirkelement 2 weist eine Länge L in Förderrichtung F auf, die höchstens dem Schneckendurchmesser D entspricht, bevorzugt aber kürzer ausgeführt ist, beispielsweise 1D; 0,7D; 0,5D oder 0,3D.
Ferner umfasst jedes Wirkelement 2 eine Vielzahl von Einlasskanälen 20 und Auslasskanälen 21, die jeweils abwechselnd in Umfangsrichtung der Wirkelemente angeordnet sind, d. h. auf einen Einlasskanal 20 folgt bei Betrachtung in Förderrichtung F im Uhrzeigersinn ein Auslasskanal 21, dann wiederum ein Einlasskanal 20, gefolgt von einem Auslasskanal 21 und so weiter.
Die Einlasskanäle 20 und Auslasskanäle 21 sind jeweils als nutförmige Vertiefungen in der Oberfläche der Wirkelemente 2 des Scher- und Mischteiles 101 eingebracht, wobei die Einlasskanäle 20 entgegen der Förderrichtung F geöffnet und die Auslasskanäle 21 in Förderrichtung F geöffnet sind.
Ferner erkennt man im bereits vorangehend erläuterten Drehsinn, d. h. in Förderrichtung F betrachtet im Uhrzeigersinn, dass zwischen jedem Einlasskanal 20 und dem darauffolgenden Auslasskanal 21 ein Schersteg 22 angeordnet ist, dessen Oberkante unterhalb des maximalen Durchmessers der Wirkelemente 2 verläuft, so dass bei Einsatz der Schnecke 10 im Zylinder 11 der Plastifiziereinrichtung 1 zwischen dem Schersteg 22 und der inneren Zylinderwandung 110 ein Scherspalt verbleibt, der es der in Förderrichtung F geförderten plastifizierten Kunststoffschmelze ermöglicht, aus dem Einlasskanal 20 über den Schersteg 22 in den Auslasskanal 21 überzutreten. Durch die hierbei eintretende Scherung des plastifizierten Kunststoffes wird die gewünschte distributive Mischung der Schmelze bewirkt.
Andererseits sind in entgegengesetzter, d. h. entgegen dem Uhrzeigersinn verlaufender Richtung die Einlasskanäle 20 von den benachbarten Auslasskanälen 21 durch einen Dichtsteg 23 abgeteilt, dessen Oberkante auf dem maximalen Durchmesser des Wirkelementes 2 verläuft, d. h. zwischen dem Dichtsteg 23 und der Zylinderwandung 110 wird ein Dichtspalt ausgebildet, der den Übertritt der Schmelze über den Dichtsteg 23 verhindert.
Es ist somit offensichtlich, dass die plastifizierte Kunststoffschmelze bei Eintritt in die Einlasskanäle 20 des in Förderrichtung F betrachtet ersten Wirkelementes zunächst über die Scherstege 22 in die im Uhrzeigersinn nachfolgenden Auslasskanäle 21 übertritt und von dort in den durch den Abstand A gebildeten ringförmigen Mischraum M zwischen aufeinanderfolgenden Wirkelementen 2 eintritt.
Da, wie aus 2 ersichtlich, die Auslasskanäle 21 eines Wirkelementes 2 gegenüber den Einlasskanälen des nachfolgenden Wirkelementes 2 versetzt angeordnet sind, und zwar hier um exakt eine Kanalbreite, wird die Schmelze veranlasst, den aus der 2 ersichtlichen Verlauf durch das Scher- und Mischteil zu nehmen, wobei beim Übertritt von einem Wirkelement 2 auf das in Förderrichtung F nachfolgende Wirkelement eine in Umfangsrichtung des Scher- und Mischteiles entlang des ringförmigen Mischraumes M erfolgende Fließbewegung nötig ist. Die Schmelze tritt dabei nicht ausschließlich in den nächstgelegenen Einlasskanal 20 des nachfolgenden Wirkelementes 2 über, sondern fließt zumindest zu einem Teil weiter im ringförmigen Mischraum M um und tritt aus diesem in weiter entfernt liegende Einlasskanäle 20 des nachfolgenden Wirkelementes 2 über. Auf diese Weise wird der Schmelze neben der gewünschten dispersiven Durchmischung auch eine gute distributive Durchmischung erteilt.
Dieser Vorgang wiederholt sich durch die in der Darstellung gemäß 2 ersichtliche Aneinanderreihung von insgesamt vier Wirkelementen 2 noch weitere zwei mal, bis die Schmelze das Scher- und Mischteil 101 in Richtung der Auslassöffnung 112 des Zylinders verlässt.
Im Ergebnis wird somit bei kürzester Bauform des Scher- und Mischteiles 101 eine besonders intensive distributive und dispersive Mischung der plastifizierten Kunststoffschmelze erreicht, die eine bedeutende Verbesserung der Homogenität der in der Plastifiziereinrichtung hergestellten Kunststoffschmelze mit sich bringt.
Es versteht sich, dass anstelle der in der 2 verwendeten Aneinanderreihung von insgesamt vier Wirkelementen auch lediglich drei derartige Wirkelemente oder auch mehr, z. B. fünf, sechs oder sieben Wirkelemente zur Ausbildung eines Scher- und Mischteiles 101 aneinandergereiht werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006011069 A1 [0004]

Claims

Plastifiziereinrichtung (1) für Kunststoffe mit einem Zylinder (11) und mindestens einer drehbar in dem Zylinder angeordneten Schnecke (10), die ein Scher- und Mischteil (101) zum Scheren und Mischen des plastifizierten Kunststoffes aufweist, wobei das Scher- und Mischteil (101) ein Wirkelement (2) mit mehreren als nutförmige Vertiefungen in der Oberfläche ausgebildeten und in Umfangsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgenden Einlass- und Auslasskanälen aufweist, wobei die Einlasskanäle (20) entgegen der Förderrichtung F des Kunststoffes und die Auslasskanäle (21) in Förderrichtung F des Kunststoffes geöffnet sind und zwischen einem Einlasskanal (20) und dem benachbarten Auslasskanal (21) ein den Übertritt des Kunststoffes ermöglichender Scherspalt zur Zylinderwandung (110) und in entgegengesetzter Umfangsrichtung zwischen dem Auslasskanal (21) und dem nachfolgenden Einlasskanal (20) ein den Übertritt des Kunststoffes verhindernder Dichtspalt zur Zylinderwandung (110) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke mit mindestens drei in Förderrichtung F in einem Abstand A aufeinanderfolgend angeordneten Wirkelementen (2) ausgerüstet ist.
Plastifiziereinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslasskanäle (21) eines Wirkelementes (2) gegenüber den Einlasskanälen (20) des nachfolgend angeordneten Wirkelementes (2) in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind.
Plastifiziereinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wirkelemente (2) eine sich in Förderrichtung erstreckende Länge L aufweisen, die maximal dem Schneckendurchmesser D entspricht.
Plastifiziereinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand A zwischen aufeinanderfolgenden Wirkelementen mindestens das 0,1-fache des Schneckendurchmessers D beträgt.