DE2541376A1

DE2541376A1 - Extruderschnecke

Info

Publication number: DE2541376A1
Application number: DE19752541376
Authority: DE
Inventors: Akira Hosokawa; Yasuo Kitamura; Yukifusa Miyazaki; Masasi Takeda; Yoshio Yada
Original assignee: Toray Engineering Co Ltd
Current assignee: Toray Engineering Co Ltd
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1975-09-17
Publication date: 1976-05-26
Also published as: JPS5156874A; US4053143A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Extruderschnecke, mit der einerseits eine stabile bzw. gleichmäßige Extrusion des ilaterials, insbesondere Harzes, und andererseits eine Steuerung der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßvolumens in einem größeren Bereich möglich sein soll.

um die Extrusionsleistung von sogenannten nicht belüfteten Extrudern zu verbessern hat man versucht, die Schneckengangtiefe und/oder den Schneckendurchmesser zu vergrößern oder auch die Eotationsgeschwindigkeit der Schnecke zu erhöhen. Die Erhöhung der Schneckengangtiefe führt jedoch zu einer Verschlechterung der Wärmeenergieausbeute infolge der viskosen Dissipation innerhalb des Sxtruderzylinders und damit zu einer Verringerung der Schmelzleistung und zu einer Verschlechterung der gleichmäßigen Wärmeübertragung auf das zu extrudierende Harz.

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Dieses führt dazu, daß eine stabile und gleichmäßige Extrusion nicht sichergestellt ist, so daß einer Vergrößerung der Gangtiefe enge Grenzen gesetzt sind.

Vergrößerung des ochneckendurcnmessers führt im Gegensatz dazu zu keinen wesentlichen technologischen Schwierigkeiten. Kin iMaciiteil der Durchinesservergrößerung besteht jedoch darin, daß die Abmessungen und damit die Kosten für den Extruder erhöht v/erden. Bei einem Extruder mit einer einen großen Durchmesser auf v/eisenden Schnecke ist es weiterhin schwierig, ein stabiles und gleichmäßiges Extrudieren innerhalb eines weiten Bereiches zu gewährleisten, beispielsweise hinsichtlich der Veränderung der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßvolumens eines speziellen- Extruders bei der Herstellung unterschiedlich dicker Filme. Ein Extruder mit einer einen großen Durchmesser aufweisenden Schnecke hat somit auch noch den Nachteil, daß er dann nicht eingesetzt werden kann, wenn es erforderlich ist, die Extrusionsgeschwindigkeit bzw. das Ausstoßvolumen innerhalb eines größeren Bereiches zu steuern.

Wenn bei einem üblichen Extruder mit einer Einstufenschnecke die Drehgeschwindigkeit der Schnecke erhöht wird, tritt eine erhöhte viskose Dissipation auf, was dazu führt, daß die Temperatur des geschmolzenen Harzes über den an sich erforderlichen Wert angehoben wird. Dieses führt zu einer Qualitätsverschlechterung des extrudierten Materials. Bei einer derartigen Verfahrensweise ist außerdem die Zone, in der das geschmolzene Harz und das ungeschmolzene Harz im Mischzustand vorhanden sind, instabil, was dazu führt, daß die Temperatur des extrudierten Materials schwankt und oft ein extrudiertes Material erhalten wird, welches noch ungeschmolzenes Harz enthält. Ein weiterer Kachteil ist darin zu sehen, daß die Antriebsenergie beträchtlich erhöht wird, die je Mengeneinheit des extrudierten Materials benötigt wird.

Dem einfachen zweistufigen Schneckenextruder, der gewöhnlich als sogenannter belüfteter Extruder benutzt wird, haftet ein

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schwieriges Problem an, indem es außerordentlich schwierig ist, die Schnecke so zu konzipieren, dai3 die Ausstoßmenge der ersten Stufe genau der Ausstoßuienge der¹ zweiten otufe angepaßt ist, was dazu führt, daß das ".Belüften" oder das "Verkümmerungsphänomen", welche eine Veränderung der Extrusionsgeschwindigkeit begünstigen v/ürden, entfallen, i>lan hat andererseits bisher der Idee wenig Beachtung geschenkt, den einfachen zweistufigen Schneckenextruder zu modifizieren, um ihn in einen nicht belüfteten Extruder umzuformen, der mit einer Schneckendrehzahl betrieben werden kann, die von sehr niedrig bis sehr hoch reicht. Es sind weiterhin keine Bemühungen unternommen worden, wie etwa ein derartig modifizierter Extruder in der Praxis verwendet werden könnte. Man hat sich in der letzten Zeit damit befaßt, einen üblichen einstufigen Schneckenextruder in der Weise zu modifizieren, daß der Schnecke in der mittleren oder vorderen Zone zusätzliche Organe wie beispielsweise üischelemente zugeordnet werden, um die Extruderleistung zu verbessern. Eine weitere neuere Studie zur Verbesserung der Extrusionsleistung befaßt sich damit, sogenannte Zwillingsschneckenextruder oder Tandemextruder zu verbessern. Die Versuche zur Verbesserung der Extrusionsleistung eines einstufigen Schneckenextruders ohne zusätzliche Mischelemente sind zum gegenwärtigen Zeitpunkt praktisch aufgegeben worden.

Ein belüfteter zweistufiger Schneckenextruder ist bekannt. Aus diesem Grunde könnte davon ausgegangen werden, daß die Modifizierung eines solchen Extruders zu einem nicht belüfteten Extruder nahegelegen hat. Die bloße Modifizierung eines belüfteten zweistufigen Schneckenextruders zu einem nicht belüfteten Extruder oder die bloße Substituierung einer Einstufenschnecke durch eine Zweistufenschnecke in einem nicht belüfteten Extruder führt jedoch auch nicht zu einer Verbesserung der Extrusionsleistung des nicht belüfteten Extruders. Ein derartiger modifizierter Extruder gewährleistet keine Stabilität bzw. Gleichmäßigkeit bei der Extrusion, und zwar insbesondere dann nicht, wenn der Extruder mit unterschied-

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lichen üchneckendrehzahlen botrieben werden soll, die nciir hoch oder sehr niedrig liegen.

Ausgehend davon, hat man die Entwicklungsarbeiten nicht auf die Weiterentwicklung der Zwei stuf enschnecKe sondern εαα.ΐ die Weiterentwicklung der jJinstufenscImecke mit zusätzlichen Funktionsmerkmalen gerichtet. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß eine modifizierte Einstufeiischnecke den h'achteil hat, daß die Extrusionsgeschwindigkeit bzw. das Ausstoßvolumen sich nicht sehr erhöhen läßt, und zwar bezogen auf die vergrößerten Dimensionen des Extruders, obwohl die Stabilität der Extrusion verbessert werden kann. Dieses beruht darauf, daß die an der Schnecke vorgesehenen zusätzlichen Maßnahmen einen 'widerstand gegen den Durchlauf des geschmolzenen Harzes bilden. Us ist weiterhin zu beachten, daß ein ernsthaftes Problem darin besteht, daß ein derartiger Widerstand zur Erzeugung unnötiger Wärmeenergie führt, und zwar aufgrund der viskosen Dissipation, was zur Folge hat, daß die Temperatur des extrudierten Materials erhöht wird, was einen erhöhten Leistungsverbrauch zur Folge hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Extruderschnecke zu schaffen, mit der die oben beschriebenen Hachteile üblicher Extruder vermieden werden können, und zwar insbesondere die Nachteile, die aus einer hohen Drehgeschwindigkeit einer Einstufenschnecke resultieren, wobei es weiterhin darum geht, eine Möglichkeit zu schaffen, die Extrusionsgschwindigkeit bzw. das Ausstoßvolumen innerhalb eines großen Bereichs verändern zu können bei gleichzeitiger Gewährleistung einer stabilen und gleichmäßigen Extrusion. Dabei soll weiterhin der Energieverbrauch verglichen mit üblichen Extrudern bzw. Extruderschnecken herabgesetzt werden,,

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Extruderschnecke dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Leschickungszone, die an ihrem hinteren Ende eine Gangtiefe h^ hat, eine sich an die Beschickungszone anschließende Schmelzzone, deren Gangtiefe

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sich in /urderrichtung fortschreitend auf einen ^ert von hp
verringeret, eine auf die Schmelz^one folgende üekornpressionszone, die zuerst eine gegenüber der Gangtiefe hu vergrößerte
-rangtiefe h_v hat, die fortschreitend bis zu einem Wert h^ absinkt, und eine auf die Dekorapressionszone folgende Dosierzone iiiit der konstanten Gangtiefe h,, aufweist, und da.3 £ ','■ J-/S,-. /" 0,3 c unc. 1,5 711^/1:1, > 1,15 ist, wobei c uas u-Oiiipressionsverhältnis zwischen der Sahiuelzzone und der le^Oiiic'.aui^

und o₀ und 3- der fx'eie v-Aierschnitt im gereich der Gangtiefen Ii,, bzv;. h-, sind.

i-.o-apressionsverhaltnis i ist ausgedrückt durch
h^ (Dy,-hy.)/n_n{ü,y-'an), und ,J,_, und o_r sind ausgedrückt durch
JY n₉(D₉-h₉) bzv/./TiJ-(D^-Ii-,), vrobei D^, b_o und D₇. die Außendurchmesser der Schnecke ii^: gereich der ^esciiickungszone bzw. der -ichuielzzone bzv;. der' uekoupressionszone sind, oirfindungsgeiulU3 sollen der AuDendurciimesser der Schnecke in jeder dieser Lü-ie:.'JL in dei" optimalen "Jeise ausgewählt werdt-n. GeuLlo einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat: die üchnecke
iibsr ihre gesamte Länge einen konstanten Außendurciiinesser.
uie Erfindung ist jedoch nicht auf eine .-ohnecke mit einem
solchen konstanten AuSendurchmesser beschränkt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben, üls zeigen:

rig. 1Λ und 1 lj Längsschnitte von zwei Extrudern, die mit der
erfindungsgemäi3en iirtruderschnecke ausgestattet sind;

Fig. 2 bis 4 jJiagramme, die die Lxtrusionsgeschv/indigkeiten

bzw. das Äusstoßvolumen in Abhängigkeit von verschiedenen Spritzkopfdrücken bei unterschiedlichen Verhältnissen von S-/Sp in einem Extruder wiedergeben, der
eine Schnecke mit konstantem Außendurchmesser hat,
wobei ein Harzmaterial mit einer spezifischen Schmelzviskosität verwendet worden ist;

i-'ig. 5 bis 7 Diagramme, in denen die Temperaturen des extrudierten Materials in Abhängigkeit von der Extrusions-

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geschwindigkeit bzw. dem Ausstoßvolumen des Extruders dargestellt sind, auf den sich die ^ig. 2 bis 4 beziehen;

j'ig. 8 ein Diagramm, welches die üxtrusionsgeschwindigkeiten bzw. das Ausstoßvolumen in Abhängigkeit von den Schneckenumdrehungen eines erfindungsgemäßen Extruders und eines üblichen Extruders gestellt sind, dessen ichnecke mit speziellen zusätzlichen iiischelementen in der mittleren Schneckenzone versehen ist; diese Darstellung dient zum Vergleich der Extrusionsleistungen zwischen diesen beiden Extrudern, und

Fig, 9 ein Diagramm, das in vergleichbarer Darstellung den !Energieverbrauch des erfindungsgemäßen zweistufigen Schneckenextruders und eines üblichen einstufigen Schneckenextruder wiedergibt.

Eine übliche Einstufenschnecke muß so konstruiert sein, daß die Uxtrusionsleistung und die Extrusionsstabilität auf einem möglichst hohen Niveau ausbalanciert sind, im Gegensatz dazu können bei der erfindungsgemäßen li^xtruderschnecke die Extrusionsleistung und die Extrusionsstabilitat unabhängig voneinander erhöht werden, indem bei einem Zweistufenextruder eine Schmelzzone, die eine hohe Schmelzleistung ergibt, eine Dosierzone und eine dazwischen liegende Dekompressionszone in spezieller Weise einander zugeordnet sind.

Dabei ist das Kompressionsverhältnis c zwischen der Schmelzzone und der Beschickungszone geringfügig höher als bei einer üblichen Einstufenschnecke. Das Kompressionsverhältnis ist das Verhältnis des freien Querschnittes des Strömungskanals an dem vorderen Ende der Schmelzzone zu dem freien Querschnitt des Kanals am hinteren Ende der Beschickungszone; dieses Verhältnis wird ausgedrückt durch h^, D-h^, wobei h^ die Gängig * D-Ii₂

tiefe der Beschickungszone an deren hinteren Ende, h₂ die Gangtiefe der Schmelzzone an deren vorderen Ende und D der Außendurchmesser der Schnecke ist.

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"⁷" 2 b 4 1 3 7 b

Die Gangtiefe der durch die Dekompressionszone von der ochmelzzone getrennten Dosierzone ist etwas tiefer als üblich. Die zwischen der Lichwelzzone und der Dosierzone liegende Dekompressionszone führt dazu, daß das von der .Jclnaelzzone zugeführte geschmolzene Larz mit einem niedrigeren Druck v/eiterbewegt wird, ijie mittlere Geschwindigkeit und der uittlere Druck der geschmolzenen Karzströmung werden somit gezwungenermaßen herabgesenkt, was dazu führt, daß das geschmolzene Harz zusätzlich durchmischt wird. Wenn das der Dekompressionszone zugeführte Material noch ungeschmolzenes Material enthält, v/ird dieses ungeschmolzene Harz während des zuletzt beschriebenen Mischprozesses vollständig geschmolzen, so daß die Zuführung von solchem nicht geschmolzenem Harz in die Dosierzone verhindert wird. Durch den iiischvorgang in der Dekompressionszone wird die Temperatur des geschmolzenen aaterials vergleichmäßigt, wobei Druckschwankungen reduziert werden, so daß eine gleichmäßige Ebctrusionsgeschwindigkeit erreicht v/ird_o

Ks ist darauf hinzuweisen, daß der freie Querschnitt des Kanals in der Dekompressionszone von wesentlicher Bedeutung zur Erreichung des angestrebten Zieles ist. Wenn der Querschnitt übermäßig groß gehalten wird, fülirt dieses zu einer übermäßigen Dekomprimierung, was zur Folge hat, daß hinsichtlich der Schwankung der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßvolumens die gleichen Verhältnisse eintreten wie bei einem belüfteten Extruder. Es hat sich experimentell bestätigt, daß bei einem erfindungsgemäß gestalteten Extruder, wenn der Druck in der Dekompressionszone niedriger ist als der Spritzkopfdruck (d.h. der Extrusionsdruck in der Dosierzone) plastifiziertes Harz mit einer höheren Extrusionsgeschwindigkeit extrudiert werden kann al.s mit deü üblichen einstufigen Schneckenextruder.

Die erfindungsgemäße Extruderschnecke ist so gestaltet, daß zum Schmelzen der festen Harzmaterialien infolge der Schneckenumdrehung ausreichend genug Vfärmeenergie durch viskose Dissipation erzeugt wird, während nach dem Schmelzen eine

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überflüssige viskose Dissipation soweit wie möglich verzögert wird. ',^?enn die auf der viskosen Dissipation berührende Värineenergie durch den Wert Λ und die Scherrate durch <Y repräsentiert -werden, dann gilt 4 ^~ T und ί ^'^; Dil/h, wobei D der Aui3endurchrüesser der¹ Schnecke, ii die Drehzo.hl der Schnecke und Ii die Schneckengangtiefe ist_o Wenn mit einer mit hoher Drehzahl umlaufenden Schnecke festes Harz geschmolzen und extrudiert wird, läßt sich die notwendige Wärmeenergie aufgrund der viskosen Dissipation zum Schmelzen des Harzes selbst dann erreichen, wenn eine Schnecke benutzt wird, bei der die Gangtiefe hp abnimmt und die Länge der Schmelzzone verkürzt wird, und zwar in Abhängigkeit von der abnehmenden Gangtiefe. In diesem Fall wird der Raum zwischen der Innenwand des Extruderzylinders und der Bodenfläche des Schneckenkanals entsprechend verkleinert mit dem Ergebnis, daß die Dicke der durch diesen Raum bewegten Harzströmung reduziert wird. Dadurch wird die Wärmeübertragung auf das Harz verbessert und demzufolge auch das Schmelzen des HarzeSo

Wenn das Kompressionsverhältnis £ der Schmelzzone auf einen Wert über dem üblichen Kompressionsverhältnis (dieser Wert hängt von der Art des verwendeten Harzes ab) eingestellt wird, wird die Druckerhöhungskurve im Bereich der Schmelzzone sehr steil, so daß die aufgrund der viskosen Dissipation erzeugte Wärme erhöht wird. Dadurch wird zusätzlich die Reduktion des Rückdruckes kompensiert, der dann auftreten würde, wenn die Kompressionszone verkürzt wird. Auf diese Weise läßt sich verhindern, daß.in dem geschmolzenen Harz vorhandene Blasen zum Spritzkopf wandern.

Gemäß den Fig. 1A und 1B umfaßt jede der beiden AusfUhrungsformen des erfindungsgemäßen Extruders einen Zylinder 3 mit einem Einfülltrichter 1 und einer zweistufigen Schnecke 2, die in dem Zylinder 3 drehbar gelagert ist_o Die Schnecke 2 umfaßt aufeinanderfolgend eine Beschickungs- bzw. Speisezone I, eine Plastifizier- bzw. Schmelzzone II, eine Dekompressionszone III und eine Homogenisier- bzw. Dosierzone IV. Die

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Jeschicicun&s- bzw. Speisezone I hat eine konstante Gangtiefe 1I₁. Die auf die ^escliickungszone 1 folgende Plastifizier- bzw_o Schmelzzone Ii hat eine Gangtiefe, die sich in ii'örderrichtung fortschreitend auf einen Wert von h^ verringert. Die auf die Plastifizicrzone Ϊ1 folgende Dekompressionszone III hat zuerst eine gegenüber der Gangtiefe tu vergrößerte Gangtiefe fcu, die fortschreitend auf einen Wert von h^ abnimmt. Die auf die Dekompressionszone III folgende Dosler- υ zw. Homogenisierzone IV hat eine konstante Gangtiefe h^.

Der in Fig. 1A dargestellte Extruder hat einen Zylinder 3 mit einem konstanten Innendurchmesser und eine Schnecke 4 mit einem konstanten Außendurchmesser. Der in Fig. 1B dargestellte Extruder hat im Bereich der Beschickungszone I und der Schmelzzone II einen konstanten Außendurchmesser, während der Außendur-chmesser im Bereich der Dekompressionszone III und der Dosierzone IV einen demgegenüber kleineren konstanteren Wert hat, wobei der Innendurchmesser des Zylinders 3 jeweils dem Außendurchmesser der Schnecke 2 angepaßt ist.

Die Gangtiefe h- der Schmelzzone Il ist so gewählt, daß das koiapressionsverhältnis zwischen der Schmelzzone II und der /-ε Schickung sz one I einen vorgegebenen Wert £ hat. £ ist ausgedrückt durch tu (D-h.), wobei D der konstante Außendurchmesser

der Schnecke im Bereich der Beschickungszone I und der Schmelzzone II ist.

Durch den Einfülltrichter 1 wird der Beschickungszone I bei rotierender Schnecke 2 festes Harzmaterial mit einem Be-3chickuri£SiruE!k P^ zugeführt. Das aus dem Bereich der Beschickungszone I in die Schinelzzone II geförderte feste Harz wird komprimiert und in dem durch die Innenfläche des Zylinders 3 und den Schneckenkanal begrenzten Raum zum notieren gebracht, wobei das Harz aufgrund der durch die viskose Dissipation erzeugten Wärme geschmolzen bzw. plastifiziert wird. Im Bereich dieser Schmelzzone wird das geschmolzene Harz einem

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ernten iiomogeniüier- und Dosiervorgang unterworfen und in Forderrichtung in die Dekompressionszone ill extrudiert. Das der Dekompressionszone III zugeführtematerial enthält noch ungeschiüolzenes Harz und bewegt sich in einem unstabilen Zustand in Förderrichtung. Menn in einem solchen Fall eine Schnecke mit einer konstanten Ganghöhe benutzt wird, v/erden die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck des Harzes reduziert, "wenn diese Reduzierung übermäßig groß ist, kann die Druckveränderung, die von der Beschickungszone I und der darauf folgenden Scfamelzzone 11 herrührt, nicht in der Dekompressionszone III absorbiert werden. Dieses führt zua Auftreten von Druckschwankungen am Auslaß des Extruders bzw« Spritzkopfes und damit zu Schwierigkeiten hinsichtlich des Extrudieren des plastifizierten bzw_o geschmolzenen Harzes mit einer konstanten Extrusionsgeschwindigkeit. 2s hat sich auf experimentelle Weise bestätigt, daß dieses nachteilige Phänomen verhindert werden kann, wenn das Kompressionsverhältnis auf einen optimalen Wert eingestellt wird, und zwar das Verhältnis des freien Querschnittes S^ am Ende der Schmelzzone II zum Querschnitt S₂ am Anfang der Dekompressionszone III. Das oben beschriebene nachteilige Phänomen kann dadurch verhindert werden, wenn erfindungsgemäß das Kompressionsverhältnis C einem Wert 5 £hat.

In den i^?ig. 2_t 3 und 4 sind die oben beschriebenen Phänomene graphisch dargestellt. Die Fig. 2 und 4 beziehen sich auf einen Extruder mit einem Schneckenaußendurchmesser von 90 mm, während Fig» 3 sich auf einen Extruder mit einem Schneckenaußendurchmesser von 200 mm bezieht. Die Fig. 2 und 3 beziehen sich auf ein Harz mit einer Schmelzviskosität von etwa 2000 Poise, während Fig» 4 sich auf ein Harz mit einer Schmelzviskosität von etwa 5000 Poise bezieht. Wenn ein Harz mit einer verhältnismäßig niedrigen Schmelzviskosität (etwa 2000 Poise) in einem Extruder verarbeitet wird,, wird die Druckschwankung am Spritzkopf in ¥erbdn*iung mit den Fig. 2 und 3 üblicherweise prozentual (Sa) ausgedrückt. Wenn ein Harz mit einer verhältnismäßig hohen Scisaelzviskosität (etwa 5000- Poise) verwendet wird,

wird die Spritzkopf druckschwankung gemäß i'ig. 4 üblicherweise in Druckeinheiten von kg/cm ausgedrückt.

Erläuterung zu den Fig. 2 bis 4:

Die Kurve A entspricht der Spritzkopfdruckschwankung in Abhängigkeit von der 3xtrusionsgeschwinäigkeit bei einem repräsentativen Beispiel einer üblichen Einstufenschnecke; die Kurve B entspricht einer zweistufigen Schnecke unter den Bedingungen, daß 3-/S₂ -1,1 und h^/hg = 1,25; die Kurve C entspricht einer Zweistufenschnecke unter den Bedingungen, daß S₇JZ₂ » 0,95 und h^/hg = 1,25; die Kurve D entspricht einer Zweistufenschnecke unter den Bedingungen, daß S^/Gp =0,8 und h//hp = 1,25; die Kurve E entspricht einer Zweistufenschnecke unter den Bedingungen, daß S^/S₂ =0,6 und h^/h₂ = 1,25; und die Kurve F entspricht einer Zweistufenschnecke unter den Bedingungen, daß S₃/S₂ =0,45 und h^/h₂ = 1,25.

Die Zweistufenschnecken, die bei den Kurven B bis D zugrunde gelegt sind, haben den in Fig. 1A gezeigten Aufbau und ihr Verhältnis L/D liegt bei 28. Wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, hat die Spritzkopfdruckschwankung bei jedem der Fälle A bis B die Neigung anzuwachsen. Im Fall der üblichen Einstufenschnecke A ist das Ausmaß dieser neigung ein Maximum, und die in der Praxis tolerierbare obere Grenze der Extrusionsgeschwindigkeit liegt auf einem verhältnismäßig niedrigen Niveau. In den Fällen der Zweistufenschnecken B bis F zeigen die Fig. 2 und 3, daß dann, wenn das Verhältnis S^/S₂ auf einen bestimmten Wert abnimmt, die Neigung besteht, daß die Spritzkopfdruckveränderung bzw.-Schwankung in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit abnimmt, während dann, wenn das Verhältnis S^/S₂ unter diesen Wert absinkt, die Spritzkopfdruckveränderung in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit anwächst. Dieses bedeutet, daß es einen Minimumwert für die Spritzkopfdruckveränderung in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit gibt.

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im i/all eines üblichen einstufigen Schneckenextruders erhöht sich die Spritzkopfdruckschwankung im allgemeinen stark bzw. überdimensional, wenn die ExtrusionsgeGcIiv.andigkeit anwächst Im Gegensatz dazu erhöht sich im Fall des erfindungsgemäßen zweistufigen Schneckenextruders die Spritzkopfdrucksclr.-7arj.kung im wesentlichen lineal', und zwar in Abhängigkeit von der Erhöhung der Extrusionsgeschwindiglieit.

typische Extrusionsgeschwindigkeit äes üblichen einstufigen Schneckenextruders liegt bei 150 kg/h, und die entsprechende Spritzkopfdruckveränderung bzw. -Schwankung liegt bei einer Schnecke mit einem AuiSendurchmesser von 90 min bei etwa ?/->, wie es sich aus Fig. 2 ergibt. Es ist jedoch notwendig, daß die Spritzkopfdruckveränderung bzw.-Schwankung höchstens bei ky-i liegt, wenn ein dünner Film mit gleichmäßiger Dicke oder ein dünner Faden gleichmäßigen Durchmessers extrudiert werden sollen.

Bei dem erfindungsgemäßen zweistufigen Schneckenextruder wird gemäß Fig. 2 eine Spritzkopfdruckveränderung von 4^ bei einer Kxtrusionsgeschwindigkeit von 200 kg/h über dem Wert von 150 kg/h erreicht. Wenn eine Erhöhung der Spritzkopfdruckveränderung bis zu 7% toleriert wird, d.h. bis zu dem Wert, wie er oben in Verbindung mit einem einstufigen Schneckenextruder behandelt ist, läßt sich die Extrusionsgeschwindigkeit des zweistufigen Schneckenextruder auf einen Wert von etwa 400 kg/h erhöhen.

Eine vergleichbare Tendenz läßt sich gemäß Fig. 3 auch bei Extrudern mit einem Außendurchmesser von 200 mm beobachten. Sogar im Fall der in Fig. 4 behandelten Beispiele, bei denen die gleichen Schnecken wie in Verbindung mit Fig. 2 benutzt worden sind, während von Harzen ausgegangen worden ist, die eine gegenüber von Fig. 2 unterschiedliche Viskosität haben, läßt sich die gleiche Tendenz beobachten.

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i₀'o 3ici oovhit, daß der erfindungsgemäSe zweistufige Schneckenextruder unter den bedingungen, daß c^o-/,J_o /C,5 £ mit einer opritzkopfdruclcveränderung bzw. -Schwankung von v/Siiiger als 4^ betrieben werden kann, während die Extrusionsgenchvindigkeit den typischen Wert des üblichen einstufigen Schneckener-truders hat. Dieses gilt unabhängig von dein Außendurclruesser der Schnecke, soweit ein Harz verwendet wird, das eine Scliuielzviskosität in dem Bereich von etwa 2000 bis etwa 5000 »Poise hat. Wenn jedoch eine Temp er aturver änderung des extrudierten materials und/oder die Spritzkopfdruckveränderung in einem geringen Umfang toleriert wird, läßt eich das oben beschriebene Verhältnis auch in wesentlichen auf ein Λ3ΤΖ übertragen, das eine Schmelzviskosität im Dereich von etwa 1000 bis 10000 ?oise hat.

Die erfindungsgemäße Schnecke hat weiterhin eine Dekompressionszone, die zwischen einer Schinelzzone und einer Dosierbzw, iiomogenisierzone liegt, so daß sichergestellt ist, daß die Druckverteilungskurve in Forderrichtung über dem atmosphärischen Dr¹UCk liegt und einen Wendepunkt hat. Das von der rotierenden Schnecke geförderte ilaterial, welches geschmolzenes und ungeschuiOlzen.es Harz enthält, wird durch die Schinelzzone in einer solchen Weise durch den Schneckengang vorwärts bewegt, daß das ungeschmolzene Harz den geschmolzenen Harz voreilt. Dieses bedeutet, daß in dem Schneckengang der Schmelzzone das ungeschmolzene Harz sich im Dereich der Hochdruckseite befindet, während das geschmolzene Harz im .bereich der i^iederdruckseite liegt. Wenn das Harz in der oben beschriebenen Weise in die Dekompressionszone gelangt, hat das geschmolzene Harz die Neigung, das ungeschmolzene Harz zu überholen und zuerst in die Dekompressionszone zu fließen, da die vorhandene Druckverteilungskurve in Vorwärtsrichtung den Wendepunkt an der Grenze zwischen der Schmelzzone und der Dekompressionszone hat, wobei der Druck sich im Bereich der Grenze von hoch zu niedrig verändert. Dieses führt zu einem Schwimmen des ungeschmolzenen Harzes auf dem geschmolzenen Harz, nachdem das Harz ingesamt in die Dekompressionszone

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eingetreten ist. Das Harz hat weiterhin, während es in die Dekompressionszone eintritt, eine Tendenz, augenblicklich mit einer erhöhten Geschwindigkeit zu fließen mit dem iürgebnis, daß das neu eingeführte Harz in das vorlaufende Harz eindringt bzw. kriecht. Dadurch wird ein kompliziertes Strömungsbild erzeugt, was einen zusätzlichen iiischvorgang für das Harz zur Folge hat. Der oben beschriebene Strömungsund I'iischeffekt führt zu einer guten Durchmischung des geschmolzenen Harzes mit dem ungeschiuolzenen Harz und außerdem zu einem guten Kontakt des Harzes mit der Wandung der Schneckengange und der Innenfläche des Zylinders, so daß dem Harz äußere Wärmeenergie zugeführt wird. Es ergibt sich somit eine gute Wärmeübertragung von dem Zylinder auf das ungeschmolzene Harz, wodurch der Schmelzprozeß des ungeschmolzenen Harzes gefördert wird.

Wenn die Gangtiefe h, der Dekompressionszone in übermäßigem Umfang verringert wird, würde der Wendepunkt der Druckverteilungskurve verlorengehen, und wenn die Gangtiefe in übermäßigem Umfang erhöht wird, würde die Dekompressionswirkung zu groß wirken. Experimente haben bestätigt, daß in beiden Fällen nicht der oben beschriebene vorteilhafte Effekt erreicht werden kann. Es hat sich vielmehr gezeigt, daß die vorteilhaftesten Ergebnisse erzielt werden, wenn das Verhältnis des freien Querschnittes S, der Dekompressionszone im Bereich der Gangtiefe tu zu der freien Querschnittsfläche S₂ der Schmelzzone im 3ereich der Gangtiefe h₉, d.h. S^/S_o, einen Wert von etwa 0,8 c hat.

Wie es die Fig. 1A und 1B zeigen, umfaßt die Dekompressionszone einen Kanalabschnitt, in dem die Gangtiefe von tu auf hr abnimmt. Das geschmolzene Harz wird demzufolge in Förderrichtung von dem Druck P^ zum Druck Ρλ mit einem fortschreitend anwachsenden Druck komprimiert, wobei es sich infolge der Schneckendrehung zum Einlaß der Dosierzone IV vorwärts bewegt. Das geschmolzene Harz wird dabei von einem Zustand verminderter Kompression wieder bis zum Spritzkopfdruck

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komprimiert, wenn es die Dosierzone IV erreicht. Da das in die Dosierzone IV eintretende Material kein ungeschmolzenes Harz mehr enthält, ist es nicht erforderlich, weitere Wärmeenergie zum Schmelzen des Harzes zuzuführen. Um den geschmolzenen Zustand des Harzes beizubehalten, reicht es vielmehr aus, die strcJalungs'uediiig'Len v.armeverluste des geschmolzenen Harzes auszugleichen. Indem der Druck Py₁ aui:¹ einem Wert gehalten wird, der geringfügig über dem atmosphärischen Druck liegt, wird die Dosierfunktion der Schnecke verbessert, so daß eine sehr stabile gleichmäßige intrusion gewährleistet ist.

Ls ist jedoch nicht wünschenswert, daiB die Temperatur des aus der Dosierzone er.trudierten materials sich in Abhängigkeit von der Sxtrusionsgeschv.indigkeit verändert. Aus diesem Grunde sind Untersuchungen bezüglich des Verhältnisses zwischen der Temperatur des extrudierten Kateriales und der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. des AusstoßVolumens bei verschiedenen Verhältnis-werten von ^/h₂ durchgeführt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in den Fig. 5 bis 7 dargestellt. In diesen Figuren sind die Veränderungen der Temperaturen des extrudierten Materials durch den Abstand zwischen den einander entsprechenden oberen und unteren Linien dargestellt. Die Fig. 5 und 7 zeigen die Temperaturveränderungen bei Schnecken mit einem konstanten Außendurchmesser von 90 mm, während die Fig. 7 sich auf Schnecken mit einem konstanten Außendurchmesser von 200 mm bezieht,,

Erläuterung der Fig. 5 bis 7:

Das Kurvenpaar G zeigt die Temperaturveränderung bzw. Temperaturschwankung in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit bei einem repräsentativen Beispiel einer üblichen Einstufenschnecke; das Kurvenpaar H entspricht einer Zweistufenschnecke unter den bedingungen, daß S₇YS₂ = 0,8 c und h₄/h₂ =1,10;

das Kurvenpaar I entspricht einer ZweiStufenschnecke unter den Bedingungen, daß S₇YS₂ = 0,8 c und h^/h₂ = 1,17; das Kurvenpaar J entspricht einer ZweiStufenschnecke unter

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den Bedingungen, daß S~/ö_o = O,G iund h</hp = 1>55; das Kurvenpaar K entspricht einer Zweistufenschnecke unter den .bedingungen, daß ί^/^ρ ⁼ ^»^ ^ und h>/hp = 1>^5, und das Kurvenpaar L entspricht einer Zweistufenschnecke unter den bedingungen, daß 5-,/S₂ =0,3 fund h^/hp ·= 1,50.

Die Zweistuferischnecken, auf die sich die Kurven Il bis L beziehen, haben alle die in Fig. 1Δ dargestellte Form, wobei das Verhältnis L/D bei 28 liegt.

".iie es die Fig. 5 bis 7 neigen, liegt bei den kurven G bis L die Tendenz vor, daß die Temperatur des extru.dic-.rten materials und die Temp er· atur änderung bzw. TemperaturSchwankung im bereich des bpritzkopfes in Abhängigkeit von einer Erhöhung der Eiitrusionsgeschwindigkeit anwachsen. Es ergibt sich jedoch eindeutig, daß im Falle des sich auf eine Einstufenschnecke beziehenden Kurvenpaares G die Temperaturänderung bzw. -Schwankung in Abhängigkeit von der Erhöhung der Extrusionsgeschwindigkeit beträchtlich schneller anwächst, so daß die in der Praxis tolerierbare obere Grenze der Temperaturänderung bzw. Ternperaturabweichung bei einer verhältnismäßig geringen Extrusionsgeschwindigkeit erreicht wird.

Es hat sich gezeigt, daß es für das Verhältnis ü ^/h- ebenso wie das Verhältnis 8₇/3p einen optimalen Bereich gibt. Dieser optimale Bereich liegt für das Verhältnis h^/h_o gemäß den Figuren 5 bis 7 bei 1,5 ^h^/h^ >1,15»

Beim Entwurf der erfindungsgemäßen Zweistufenschnecke kann der Wert von h^/h- zusammen mit den Abmessungen der Beschickungszone, der Schmelzzone, der Dekompressionszone und der Dosierzone bestimmt werden, wobei die tatsächlichen Ergebnisse einer üblichen Einstufenschnecke berücksichtigt werden können. Um jedoch ein hohes Leistungsvermögen zu erreichen, soll das Verhältnis L/D nicht weniger als 24, die Länge der Beschickungszone nicht weniger als 6D und die Länge des vorderen Teiles der Schmelzzone mit der Gangtiefe h- bei 4D liegen. Dieses

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gilt für den ;'all, daß ein Folyolefinharz od.dgl. extrucliert -./erden soll.

Iia ji'all eines Polyesterharzes soll entsprechend den obigen Ausführungen die Länge der .ueschickungszone nicht weniger als G bis S'ü sein, während die Länge de:; vorderen Abschnittes der uclijiielz^oiie nicht unter 4 bis 5D liegen soll.

Verglichen mit einer speziell konstruierten üblichen Einschrieckenschraube, der ein komplizierter zusätzlicher Misch- <;»echc-Jii5uus zugeordnet werden muß, um den ilischei'fekt mit dem Ergebnis einer geringfügigen Erhöhung der Extrusions-Ieistung zu verbessern, wird mit der erfindungsgeuäOen Zweistu:':enschnecl:e ein ausreichender I.isciieffekt erreicht, oiine daß irgendwelche zusätzliche i-iischelerneute vorgesehen werden müssen, wobei die erfindungsge&iäße Sclinecke ausgezeichnete irgebnisse hinsichtlich der iistrusionsleistung, der Temperatur des e::trudierten ϊ-iaterials und des Energieverbrauchs aufweist, r'ig. 3 zeigt auf dem Vergleiclisweg den Unterschied der iixtrusionsleistung zwischen der erfindungsgemäßen Schnecke un.d der· oben beschriebenen Einstufenschnecke, die mit zusätzlichen i'Iischeleiaenten versehen ist. Diese Mischelemente bestehen aus ersten i-*uten zurü Einfühi'en des Harzes und zweiten nuten zur Abgabe des Harzes. Diese ersten und zweiten Wüten sind wechselweise in der mittleren Zone der Einstufensclinecke in de,n oclineckengewinde in einer solchen V/eise vorgesehen, daß die benachbarten ersten und zweiten Nuten durch einen Gang voneinandergetrennt sind. In i'ig. 8 entspricht die Kurve M einem Extruder mit der erfindungsgemäßen Schnecke, während die Kurve i-i einem üblichen Extruder mit einer Schnecke entspricht, die mit zusätzlichen i-iischelementen versehen ist. Jede der beiden Extruder hat ein Verhältnis L/D von 28, und in beiden, fällen handelt es sich um ein Harz mit einer Schmelzviskosität von 2000 Poise.

Erfindungsgeiuäß kamnicht nur eine Schnecke mit einem konstanten Außendurchmesser und einer konstanten Steigung bzw.

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he verwendet werden, sondern auch eine Schnecke mit unterschiedlichen Außendurchmessers mit einer konstanten oder nicht konstanten Steigung oder Ganghöhe, die im wesentlichen die gleichen Effekte hat. Eine Schnecke, der zuerst beschriebenen Art ist beispielsweise in Fig. IA dargestellt, während ι·!;=,. 1xj eine Schnecke ia.it unterschiedlichen Außendurcinnessern zeigt. Die erfindungsgemäße Schnecke kann weiterhin so gestaltet sein, daß eine Beschickung^- bzw. Speisezone eine Gangtiefe hat, die in Förderrichtung fortschreitend von dem liert h,, abnimmt. Sine derartige Beschickungszone führt zu einer fortschreitenden Komprimierung bzw. Verdichtung des zugeführten Harzes mit dem Ergebnis, daß Blasen oder Luft, die häufig in dem zugeführten Harz im Bereich einer üblichen BeschickungGzone mit einer konstanten Gangtiefe vorhanden sind, weitgehend entfernt werden, indem diese blasen bzw. diese Luft dazu gezwungen v/erden, sich entgegen der eigentlichen Förderrichtung des zugeführten Harzes zu bewegen. Ein Extruder mit der erfindungsgemäßen Zweistufenschnecke hat den Vorteil, daß bei weitem weniger Energie verbraucht wird als bei einem üblichen Extruder. Fig. 9 zeigt auf dem Wege des Vergleiches die in Abhängigkeit von der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. dem Ausstoß volumen verbrauchte Energie an Hand des erfindungsgemäßen zweistufigen Echneckenextruders und eines üblichen Einstuf enschneckenextruders, wobei in beiden Fällen die Schnecke einen konstanten Außendurchmesser von 200 mm und ein Verhältnis L/D von 28 hat. In beiden !''allen handelt es sich um ein Harz mit einer Schmelzviskosität von 5000 Poise» In Fig» 9 entspricht die Kurve P dem Energieverbrauch einer üblichen Schnecke und die Kurve Q dem Energieverbrauch der erfindungsgemäßen Schnecke unter den Bedingungen, daß S-z/Sg = 0,8 c und h^/h₂ =1,35 ist.

Bei dem Energieverbrauch handelt es sich um die Energie zum Antrieb der Schnecke, die elektrische Energie für die Erhitzung des Zylinders und die Energie für ein Kühlsystem. ¥ie es Fig. 9 zeigt, wächst der Unterschied zwischen dem Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Extruders und dem

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dein Energieverbrauch des üblichen extruders in Abhängigkeit von einer Erhöhung der Extrusionsgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßvoluinens an, wobei jedoch der Lnergieverbrauch dec erfindungsgemUßen Extruders beträchtlich unter dem Energieverbrauch des üblichen Extruders liegt. ..ie es die i/ig. 2 bis 7 außerdem zeigen, gewährleistet der Intruder mit der erfindungsge,näi3en Schraube eine hohe iixtrusionsgleichiaäßigkeit unabhängig von Veränderungen der L^xtruGionsgeschwincLigkeit bzv;. des Ausstoßvolumens, und es ist besonders erwähnenswert, daß eine hohe übctru.sionsstabilifrl selbst bei hoher liictrusionsgeschv/indigkeit I; ei hoheu Ausstoßvoluaieri gevrihrleistet ist, und zv/ar im Gegensc.t2 zu den bekannten Extrudern,

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Claims

P a t e η t a η s ν r ü c L e

Extruderschnecke, dadurch gekennzeichnet, daC sie eins Jeschickungszone (1), die an ihreu hinteren lipide eine Gangtiefe Iu hat, eine sich an die Beochicliungszonc (I) anschließende öchmelzzone (II), der on uangtiefe sich in ^'örderrientung fortschreitend auf einen Wert von h_o verringert, eine auf die Schmelzzone (ll) folgende Delcompressionszone (Hl), die zuerst eine gegenüber der Gangtiefe h^·.vergrößerte Gangtiefe h_v hat, die fortschreitend bis zu eiaeat Werf hr absinkt, und eine auf die Dekompresoioriszone (III) folgende Dosier zone (IV) mit der konstanten Gangtiefe h» aufweist, und da_J3 <? 3₇/S_o ^> 0,5 cund 1,5 ^hr/hp^;^1,-15 ist, wobei <f das Kompressionsverhältnis zv;isehen der"Schiaelzzone (II) und der Beschiclzungszone (i) und Sk und S₇. der freie Querschnitt iiu bereich der Gangtiefen. h_o bzw. h₇ sind.

Schnecke gemäß Anspruch 1 für einen nicht belüfteten Extruder., dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Schnecke (2) über die gesamte Länge einen konstanten Wert hat.

3. Schnecke nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschickungszone (I) eine Gangtiefe hat, die in Förderrichtung fortschreitend von dem Wert hu abnimmt.

4. Schnecke gemäß Anspruch 1 für einen nicht belüfteten Extruder, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der Schnecke (2) und die Steigung bzw. Ganghöhe in dem die liompressionszone (III) und die Dosierzone (IV) umfassenden vorderen Schneckenbereich anders sind als in der Leschickungszone' (i) und der Schmelzzone (II).

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