DE2017580A1

DE2017580A1 - Schneckenstrangpresse mit einer eingängigen, eine erhöhte Scherung bewirkenden Schnecke

Info

Publication number: DE2017580A1
Application number: DE19702017580
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing.; Hensen Friedhelm Dipl.-Ing.Dr.; Lenk Erich Dipl.-Ing.Dr.; 5630 Remscheid Schippers
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1970-04-13
Filing date: 1970-04-13
Publication date: 1971-10-28
Also published as: LU62877A1; CH521222A; NL7102957A; ES196136U; FR2089426A5; BE764306A; ES196136Y; US3701512A; GB1352934A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kontinuierlich arbeitende Schneckenstrangpresse mit einer eingängigen Extruder-: schnecke innerhalb eines Schneckenzylinders zum Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen, in der der Kunststoff auf dem Wege von einer Einzugszone mit sich daran anschließender ümwandlungs·" und /uisstoßzone bis zu einem Strangpresswerkzeug gefördert, verdichtet, aufgeschmolzen, geknetet, geschert, durchmischt und homogenisiert wird.,

Es wird von einer derartigen Strangpresse verlangt, daß das auszupressende Material möglichst homogen aufgeschlossen, optimal durchmischt, gleichmäßig erwärmt und gleichmäßig ausgestoßen wird.

Das Nebeneinanderbestehen mehr oder weniger plastischer Kunststoffpartikel innerhalb der Schneckengangquerschnitte in der Ümwandlungs- und Ausstoßzone behindert den notwendigen Wärmeaustausch, die optimale Durchmischung und Homogenisierung.

Es sind bisher verschiedene Mittel und Maßnahmen vorgeschlagen worden, um diese Probleme zu lösen.

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Es 1st bekannt/ ein intensives Durchmischen der Schmelze durch einen teilweise exzentrisch verlaufend ausgebildeten Schneckenkern zu erzielen.

Ferner ist es bekannt, die viskosen bzw. -flüssigen Schmelzebestandteile von den festen Schmelzebestandteilen durch einen einen Sammelraura bildenden zweiten Schneckengang zn trennen, wobei der zweite Schneckengang aus dem ersten ' Schneckengang als Zweiggang entsteht.

Des weiteren sind mischtorpedoförmige oder zylindrische Schneckenteile mit einem engen Spalt, zur Zylinderwand vorgeschlagen worden.

Der angestrebte Endzweck ist bei allen Vorschlägen gleich, nämlich eine auszustoßende Schmelze mit gleicher und guter Qualität bei günstiger Ausstoßmenge/Zeiteinheit und bei verhältnismäßig niedrigen Kosten zu erreichen.

Ziel der Erfindung ist es, die Homogenisierung des aufgeschlossenen thermoplastischen Kunststoffes im Bereich der Umwandlungs- und/oder Ausstoßzone durch einen erhöhten Schereffekt der Schmelze derart zu verbessern, daß unter Beibehaltung einer kontinuierlichen Schmelzeförderung zugleich auch in Bezug auf die angestrebte Schmelzequalität ein günstigeres Mischen und Temperaturverteilen wirksam wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäS dadurch erreicht, daß die eingängige Schnecke im Bereich der-Uiawandlungs-und/ oder Ausstoßzone mit einem zwischen den Gängen verlaufend angeordneten Schersteg versehen 1st.

Dieser Schersteg teilt jeden Schneckengang in zwei Kammern, er bildet zur Zylinde.rwand einen Spalt von mindestens 2s, und die Gangtiefe beiderseits des Schersteges ist in Richtung der Ganglänge stetig verändert ausgebildet«

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Bevorzugt ißt diese Gangtiefe beiderseits des Scherstegcs in Richtung der Ganglänge wechselseitig stetig vergrößert und verkleinert gewählt·

Durch die Anordnung eines solchen Schersteges und die Ausbildung sowohl des Schersteges als auch des Schneckenkerns in Verbindung mit dem Schersteg erhält man in der bzw. in den in Frage stehenden Zonen ein- oder mehrfach sich gegensinnig ändernde Querschnitte der durch die Unterteilung des Schn^ckengangeserhaltenen beiden Kammern, wobei die Schmelze auf ihrem Weg zum Strangpreßwerkzeug gezwungen wird, über den vorgesehenen Schersteg und damit durch einen zusätzlichen Spalt zwischen Schnecke und Zylinderwand zu strömen.

Auf diese Weise werden die Schmelzebe6tandteile verhältnismäßig großen Scherkräften oberhalb des Schersteges ausgesetzt. Der sich hieraus ergebende Effekt, nämlich Scherung der Kunststoffpartikel in einem engen Spalt verbunden mit einer Umschichtung der Schmelzeschichten sowie Wärmeübertragung innerhalb des Spaltes, also oberhalb des Schersteges, liegt in der günstigen zusätzlichen Aufschließung und Homogenisierung der Schmeizebestandteile.

Je nach Häufigkeit des Schmelzewechsels von einer Gangkammer in die andere« der seine Ursache im ständigen Wechsel von Steigung und Gefälle der Gangtiefe hat, erfolgt ein wechselseitiges überströmen der Schmelze über den-Schersteg.

Die Länge des Bereiches, in der ein Wechsel der Gangquerschnittsänderung' erfolgt, ist wählbar. Der Gangtiefenwechsel von einer Gangkammer in die andere kann bei vorliegender geringer Schir.elzeviskositUt über eine Länge von mindestens 1/2 D erfolgen* Der Gnngtiefenvfochcol

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ist bei höheren Schmelzeviskositäten in einem ,verhältnismäßig vielten Längenbereich, nämlich L=IO D vorteilhaft anzuwenden.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, ' daß an der Stelle des Wechsels der Gangquerschnittsänderung zugleich auch ein Wechsel des normalen Gangsteges mit dem Schersteg stattfindet.

An der genannten Wechselstelle sind nämlich die Steghöhen des Hauptsteges und des Schersteges vertauscht. Durch eine konstruktive Stegänderung wird der Hauptschneckengang von der Wechselstelle an in einem bestimmten, jedoch wählbaren Gangiängenbereich zum Schersteg umgebildet.

Durch einen solchen Stegwechsel wird erreicht, daß man eine Schnecke mit in Kammern unterschiedlichen Gangquerschnitts unterteiltem Schneckengang sowie mit stetig in Richtung der Ganglänge geänderter Gangtiefe erhält, die entweder nur für eine Schmelzevorwärts- oder rückwärtsströmung geeignet 1st, soweit es die Strömungsrichtung der Schmelze während des Uberströmens über den Schersteg betrifft.

Mit dieser Maßnahme ist eine zusätzliche Wirkung verbunden, denn nun ist der Abbau der Schmelzeströmungsfronten um zum Aufbau der Strömungsfronten versetzt herbeigeführt, und es ergibt sich eine Aufteilung des laminaren Schmelzestromes in immer feinere Schmelzeschichten. Der besondere Vorteil dieser Schnecke ist neben dem erhöhten Scher- und Mischeffekt darin zu sehen, daß die Schmelzebestandteile auf ihrem Förderweg an den Stellen des neuartig vorgesehenen Stegwechsels - also dem direkten Wechsel vom normalen Schneckensteg zum Sehersteg und umgekehrt, der gleichbedeutend ist mit einem Funktionswechsel von Schneckengang und Schergang - einer intensiveren Durchmischung der Schmelzobesi-andteil lagen

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ausgesetzt aind.

Die Steigung des Schheckenkerns ist bei der gefundenen Lösung nach Größe und Lage so gewählt, daß die Förderwirkung der Schnecke nicht beeinträchtigt wird. Durch die vorteilhafte Verknüpfung der Anordnung eines durchlaufend angeordneten Schersteges zwischen den Gängen einer eingängigen Schnecke mit der besonderen Ausbildung des ScherSteges und des Schneckenkerns strömt die Schmelze mindestens einmal in Extrudierrichtüng über den Schersteg, und es ergibt sich somit eine verbesserte Homogenisierung der Schmelze.

Bin zusätzlicher Gangsteg bei einer eingängigen Schnecke 1st an sich bekannt* Nach dem Gedanken der Erfindung übt jedoch der vorgesehene zusätzliche Steg ausschließlich die Funktion eines zusätzlichen Scherraittels aus in Verbindung mit den genannten Aüsbildungsmerkmaien der gefundenen Lösung.

Nach weiteren Merkmalen der Erfindung ist die neue Lösung mit weiteren Mischmitteln bzw. -maßnahmen zu kombinieren, damit der Schmelze auf ihrem Förderweg zum Strangpreßwerkzeug ein angestrebtes Optimum bezüglich Homogenisierung und Temperaturverteilung zuteil wird.

Diese zusätzlichen Mittel bzw. Maßnahmen können in der Form nockenartiger radialer Erhöhungen des Schneckenkerns vorgesehen sein, es können jedoch auch Durchflußausnehmungen des Schersteges und/oder des Schneckenßteges sowie ein Verweilzeitraum mit zum Beispiel tiefer ausgebildetem Schneckeng.ewinde kurz vor Ausstoß der Schmölze vorgesehen sein. '- "

Zusätzlich kann die SchnGckenspitze eine besondere Form bzw. Ausbildung erhalten.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine eingängige Schnecke mit durchlaufend ange~ ordnetem Schersteg zwischen den Schneckengängen der Ausstoßzone (dargestellter Schneckenabschnitt) und mit einem Ganghöhenwechsel über L=»5 D,

Fig. 2 eine eingängige Schnecke gleichartig wie nach Fig.l (ebenfalls als Schneckenabschnitt dargestellt), wobei der Ganghöhenwechsel über L»ll D ^erfolgt,

Fig. 3 eine abgewandelte Ausführung einer eingängigen Schnecke wie nach Fig. 1 mit einem Schneckensteg, der in einen Schersteg umgebildet worden ist,

Fig. 4 die Einzelheit eines Stegwechsels gemäß Fig. 3 im Tel!ausschnitt.

Die eingängige Schnecke 1.innerhalb des Schneckenzylinders 4 weist zum Beispiel eine Charakteristik mit steigendem Schneckenkern 2 In der nur (teilweise) angedeuteten Umwandlungs- bzw. Kompressionszone und mit gleichbleibendem Kerndurchmesser in der Ausstoß- bzw. Pumpzone auf. Der Schneckengang ist mit 3 bezeichnet,

Es ergibt sich für jeden Schneckengang ein bestimmter, jedoch wählbarer Gangquerschnitt. Dieser Gangquerschnitt wird durch einen durchlaufend angeordneten Schersteg 5 in zwei Kammern 6,7; 6',?· ... unterteilt. Der Schersteg 5 bildet mit der Zylinderwand 4 einen Spalt von mindestens 2s. Er weist stets gleichen Abstand zum Gang 3 auf; seine Stegbreite ist größer wählbar als die des Gangsteges 3.

Die Gangtiefe vergrößert und verkleinert sich stetig in Richtung der Ganglänge über eine bestimmte, jedoch wähl-

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bare Zonenlängo. Die Gangtiefe in der Kammer 6 ändert sich z.B. zwischen einem Maximalwert und einem Minimalwert und in der benachbarten Kammer 7 ändert sich die Gangtiefe umgekehrt, und zwar zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert.

Es ergeben sich auf diese Art und Weise Kammerquerschnitte, die gegeneinandergestellten sichelartigen Flächen gleichen, wobei diese Kanunerquerschnitte wechselseitig zueinander lagenverändert angeordnet sind* "

Die Summe der in Frage stehenden Kammerquerschnitte ist gleich dem Gangquerschnitt einer vergleichbaren Schnecke, bei der der Schersteg fehlt.

Die Schmelze wird nun aufgrund der besonders ausgebildeten Gangkammerquerschnitte in Verbindung mit dem vorgesehenen Schersteg auf ihrem Förderweg durch die Schneckenpresse Über den Schersteg geleitet und dabei in Umfangs- und in Achsrichtung bewegt.

Je nach Häufigkeit des Wechsels von Steigung und Gefälle der Gangtiefe erfolgt ein wechselseitiges überströmen über den Schersteg 5.

Erfolgt die Querschnittsänderung je Kammer 6,7;6',7'.... nur einmal und beginnt sie z.B. in der Kammer 6 mit einem Querschnitt von angenähert Null( der Spalt s wird hierbei vernachlässigt) und endet sie in der weiteren Kammer 7. ' mit einem Querschnitt von ebenfalls angenähert Null, so wird jedes Schinelzeteil beim überströmen von der einen Gangkammer in die andere oberhalb des Schersteges 5 einmal verhältnismäßig großen Scherkräften ausgesetzt und dabei in Umfangs- und in Achsrichtung im Sinne mehrerer gleichzeitiger Durchmischungsbewegungen weitergefördert.

Ganghöhenwechsel und Wechsellänge können so gewählt werden, daß ein einmaliges oder mehrmaliges überströmen - yor-

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wärts und rückwärts - über den Schersteg erfolgt. Bei sum Beispiel mindestens zweimaligem Wechsel der Kammer" querschnitte strömt die Schmelze einmal vorwärts und einmal rückwärts über den Schersteg, und wenn z.B. der Schneckengang so unterteilt ist,' daß er mit einer größeren Querschnittßflache zur Antriebsseite der Schnecke hin beginnt, so strömt die Schmelze mindestens einmal In Extrudierrichtung über den Schersteg.

Die eingängige- Schnecke 11 gemäß Fig. 3 innerhalb des Schnekkenzylinders 14 weist einen Schneckengang 13 und einen zusätzlichen durchlaufend angeordneten Schersteg 15 im Bereich der Schneckenausstoßzone auf.

Der Schersteg 15 bildet ebenfalls mit der Zylinderwand einen Spalt von mindestens 2s. Die^NGangtiefe beiderseits des Schersteges 15 vergrößert und verkleinert sich stetig in Richtung der Ganglänge, und zwar nach dem gewählten Beispiel auf einer Schneckenlänge Ii=4,5 D.

Der Schneckenkern 12 weist auf diese Art und Weise einen von Gangkammer· zu Gangkammer lagenvercetzten Gangquerschnitt auf, denn es ist beiderseits des Schersteges 15 an der einen Stegseite eine große und auf der weiteren Stegseite eine kleine Gangtiefe vorgesehen. Diese Gangtiefe ändert sich in Richtung der Ganglänge stetig, also beiderseits des Schersteges wechselseitig einmal größer und einmal kleiner werdend.

Mit Hilfe des Schersteges wird auch hier der Schneckengang 13 in Kammern 16,17 ... unterschiedlichen -Gangquar-Schnitts unterteilt. Der Wechsel der Querschnittsänderung erfolgt je nach .gewühlter Wechsellängo.

An der Stelle des Wochseis der Gangquerschnittsünderung findet nun auch ein Wechsel des normalen Haupt c-ffii-apiotjes 3 mit dem Scborsteg 15 ßtatt, und an der ij.'ich.st.oxi V.'i.'cJü:el-

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stelle ist diese Maßnahme umgekehrt angewandt. Eine solche Stegwechselstelle ist mit 19 bezeichnet.

Der normale Hauptgangsteg 18 ist hierbei durch eine konstruktive Steghöhenänderung zum Schersteg 20 umgebildet worden und umgekehrt ist der bisherige Schersteg 15 zum Hauptgangsteg umgebildet worden. Schersteg 20 und Schersteg 15 sind der Anordnung und Ausbildung nach gleich. Durch den direkten Stegwechsel sind jedoch die Funktionen des bisherigen Hauptgangsteges und die des Schersteges getauscht worden.

Nach dem gewählten Beispiel erhält man eine Schnecke/ bei der die Echneckenströmungsrichtung über den Schneckensteg 15 bzw. 20 entgegengesetzt zur Preßrichtung erfolgt.

In Richtung der Ganglänge werden an der Stegwechselstelle 19, cn der in gewissem Sinno ein halber Schneckengang fehlt und dafür konstruktiv die Stecjhohen des Hauptsteges 18 und die des Schersteges 15 ausgewechselt worden sind, der Hauptsteg und der Schersteg vertauscht.

Die zusätzlich vorgesehenen (nicht dargestellten) Mittel und Maßnahmenj wie z.B. radiale nockenartige Schneckenkernerhöhungen, die in Reihe und in der Art unterbrochener Stege angeordnet sein können, oder schlitzförmige Ausnehmungen der Stege unterstützen die Wirkung insbesondere der durch den Schersteg erzielten Misch- und Homogenisieretfekte. Die Schmelze wird hierbei gezwungen, um die Nocken herum zu fließen bzw. durch die Schlitze von einer Gangkammer in die andere überzuwechseln. Auf diese Art und Weise erfolgt ein zusätzlicher Mischvorgang und die Schmelze wird hierdurch zunehmend hofiiugener.

Ferner ist es möglich,-/zusätzlich einen Vorweilzeitraum im Bereich der Schneckenspitze und/oder eine besondere Form .

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der Schneckenspitze vorzusehen. Auch hierdurch wird der Homogenisierungsvorgang im Bereich der Schneckenspitze weiter unterstützt.

Die in der vorliegenden Anmeldung benutzten Abkürzungen entsprechen den von G. Schenkel in seinem Buch "Schneckenpressen für Kunststoffe" verwendeten Bezeichnungen (Carl Hanser Verlag München 1959).

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Claims

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P a te η ta η s ρ r (I c h e^!

I)] Kontinuierlich arbeitende Schneckenstrangpresse mit in einem Schneckenzylinder umlaufend bewegter Gl'ngäng-igcr E:cti:uuerschiu.cke mit Einzugszane, sich daran ansch.Ließen· der Umwandlung.·*- und Ausstoßsono zum Verarbeiten von thermoplastischen Kunststoffen, und mit einem Mittel ■'zum Homogenisieren der Schmelze,dadurch gekennzeichnet, daß der Schneckengang (3} in der Uniwandltings- und/oder Ausstoßzone durch einen durchlaufend angeordneten, mit der Zylinderwand (4) einen Spalt von mindestens 2s bildenden Schersteg (5) in Kammern (G,7^6',T¹' ♦..) unterschiedlichen Gangquerschnitts unterteilt ist, wobei die Gangtiefe in Richtung der GcinylSnge stetig verändert ist.
2) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Gangtiefe beiderseits des Schersteges (5) in Richtung der Ganglänge-wechselseitig stetig vergrößert und verkleinert.
3) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichncdt, daß die Gangtiefe bei geringer Schmelzeviskosität mindestens auf einer Sehneckenlänge L-l/2 D wechselt.
4) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefe bei höheren Schmelze---.viskostitäten auf einer Schneckenlänge L=IO D wechselt.
5) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit dem Wechsel dor

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Gangquerschnittsänderung die Anordnung des Gangsteges (18} mit der des Schersteges (15) vertauscht und die Unordnung beim nächstfolgenden Wechsel der Gangtjuorschnifctsünderuny umgekehrt vorgesehen ist.
6) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekonnzeichnet, daß zusätzlich radial sich aur Schneckenachse erstreckende Nocken auf dem Schneckenkern zwischen den Stegen (3,5...) angeordnet sind.
7) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gangsteg ( 3,13_f18) und/oder der Schersteg (5,15,20) an. sich bekannte Stegausnehmüngen, vorzugsweise in Schlittsform oder dergleichen, aufweisen.
8) Schneckenstrangpresse nach Anspruch 1 biß 7» dadurch gekennzeichnet, daß in der Ausstoßzone zusätzlich ein Verweilzeitraum vorgesehen ist. -

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