DE2852046A1

DE2852046A1 - Extruder

Info

Publication number: DE2852046A1
Application number: DE19782852046
Authority: DE
Inventors: Peter Hold; Hans Rudolph Scharer; Zehev Tadmor
Original assignee: USM Corp
Current assignee: USM Corp
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1978-12-01
Publication date: 1979-06-13
Also published as: FR2410552A1; IT7830463A0; SE7812358L; JPS5486553A; AU4202478A; US4152077A; DD140223A5; GB2009028B; ES475865A1; BR7807990A; LU80604A1; NL7811641A; BE872375A; GB2009028A

Description

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE München, 1 .Dezember 197P

DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS

PATENTANWÄLTE - 28520A6

Aktenzeichen: Unser Zeichen: ρ 2794

Anmelder:

USM Corporation

Farmington, Connecticut o6o32 Zustelladresse: 181 Elliott Street

Beverly, Mass. o1915

U.S.A.

Extruder

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Kanzlei: Herrnstraße 15, München aa

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Bearbeitung thermoplastischer Materialien mit einem eine in seiner Längsausdehnung verlaufenden Bohrung versehenen Körper, mit einem Rotor, um den herum schraubenlinienförmig wenigstens ein Schneckenzahn verläuft, mit einer Zufuhröffnung am einen Ende des Körpers, über die das zu bearbeitende Material eingegeben wird und die mit der Bohrung in Verbindung steht und mit einer Ausgabeöffnung am anderen Ende des Körpers, durch die das bearbeitete Material extrudiert wird.

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Die physikalischen Eigenschaften und das Aussehen von Polyäthylen niedriger Dichte wird durch mechanische Scherbearbeitung des geschmolzenen Mate-ials verbessert. Zusätze wie solche, die die Bearbeitung begünstigen, stabilisatoren und Färbemittel werden gewöhnlich während der mechanischen Scherbearbeitung dem Material beigegeben. Historisch bedingt erfolgt diese Scherbearbeitung in Intensivmischern oder in kaltbeschickten Extrudern, in dem das Material durch Einwirkung der Scherkräfte erneut geschmolzen wird. Da dieses Material ursprünglich als heiße Schmelzflüssigkeit erzeugt worden ist, setzt dieser erneute Schmelzprozeß zwischenzeitlich eine Formgebung, ein Abkühlen und ein Trocknen des ursprünglichen Materials voraus.

In der Vergangenheit sind schon eine Reihe von Versuchen gemacht worden, um die Leistungsfähigkeit der Extruder oder das Maß der Einwirkung auf das thermoplastische Material in einem Extruder zu verbessern. Zu diesen Versuchen gehörten Extruderschnecken mit Mehrfachzahnung oder Rotoren, die erste und zweite Kanäle aufweisen. Solche Rotoren sind in eine Mehrzahl von Abschnitten unterteilt, die der Homogenisierung, dem Einziehen und dem Fördern des Materials dienen. Einer oder mehrere Kanäle in einem oder mehreren Abschnitten des Rotors v/eisen eine Absperrwand auf, die einen Gegendruck auf das Material ausüben, das bei der Längsbewegung durch den Extruder zwischen der äußeren Fläche des Rotors und der Wandung der Bohrung, die den Rotor umgibt, bearbeitet wird. Eine Maschine dieser Art ist in den US-Patenten 3 411 179 und 3 85o 414 beschrieben.

Die Scherwirkung dieser Maschinen wird durch den Gegendruck verbessert, der aufgrund der Absperrwände quer zu den Kanälen im Rotor zustande kommt. Der Gegendruck beeinflußt jedoch die Wärmeabfuhrrate der Maschine und außerdem erfordern einige Arten von thermoplastischen Materialien in mehr oder weniger großem Umfang einen Gegendruck, eine Schermischbearbeitung

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und eine Homogenisierung oder Wärmeabfuhrraten als andere Arten von thermoplastischen Materialien.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen homogenisierenden Extruder anzugeben, der in der Lage ist, eine Vielzahl unterschiedlicher thermoplastischer Materialien, einschließlich Polyäthylen niedriger Dichte zu extrudieren, in dem sich bei ihm der Grad der Homogenisierung oder des Mischens bis zum Nullwert ändern läßt.

Diese Erfindung wird bei einem Extruder der eingangs erwähnten Art durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst. Demnach sind eine Mehrzahl von Absperrwänden ringförmig angeordnet und verlaufen über bestimmte Schneckenzähne um einen Gegendruck zu erzeugen, wodurch der Mischeffekt erhöht wird. Darüberhinaus weist die Bohrung, die den Rotor enthält, eine Mehrzahl von ihrem Umfang entlang laufenden Kanälen ^auf·

Der Rotor ist in der Bohrung axial verschieblich, so daß der erwähnte Gegendruck, der durch die Absperrwände an bestimmtei Stellen zwischen benachbarten Schneckenzähnen bedingt ist, gesteuert, verringert oder gar zu Null gemacht werden kann. Die Kanäle bilden einen Entlastungskanal f-'ir das thermoplastische Material um die Absperrwände herum. Das bedeutet, daß sie ein Verändern der Bearbeitungsintensität für ein und dasselbe thermoplastische Material oder für verschiedene Arten desselben gestatten, ohne daß zwischenzeitlich größere überhol- oder Änderungsarbeiten an dar Maschine vorgenommen zu werden brauchten. Die Struktur der Bohrung und ihre Anpassung an eine in axialer Richtung verschiebbare Extruderschnecke bzw. einen Rotor, der mit einen Gegendruck bedingenden Absperr wänden versehen ist, ermöglicht eine große Variationsbreite der Kunststoffbearbeitungseigenschaften.

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Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsboispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Extruders.

Fig. 2 in vergrößerter Darstellung einen Teil der Fig. 1. Fig. 3 einen Schnitt längs der Linien III-III in Fig. 2 und Fig. 4 einen Schnitt längs der Lim© IV-IV in Fig. 2.

In der Zeichnung und insbesondere in Fig. 1 ist ein Extruder 1o dargestellt. Dxeser Extruder weist einen Körper 12 auf, der mit einer Bohrung 14 versehen ist, die sich in dessen Längsrichtung erstreckt, Eine Schnecke bzw. ein Itotor 16 ist innerhalb der Bohrung 14 drehbar gelagert. Der Körper 12 ist außerdem^Bahnen 18 für die dem Wärmetransport dienende Flüssigkeit versehen, die in der Nachbarschaft der Bohrung 14 verlaufen und einen bestmöglichen Wärmetransport gewährleisten. .

Der Rotor 16 ist so eingerichtet, daß er durch einen Motor 2o über ein Getriebe 24 angetrieben werden kann. Ein am Zufuhrende des Körpers 12 angeordneter Einführtrichter 3o stellt eine Verbindung mit der Bohrung 14 durch eine Zufuhröffnung 32 dar. Das in den Einführtrichter 3o gegebene Material fallt in die Bohrung 14, um durch den Rotor 16 durch, sie hindurch bis zum Extruderkopf 34 weiter bewegt zu werden, der gewöhnlich eine Ausgabeöffnung 3 6 aufweist, über die das bearbeitete Material an eine Empfangseinrichtung abgegeben wird, die -hier nicht dargestellt ist.

Der Körper 12 und der Rotor 16 des Extruders 1o bestehen aus einer Mehrzahl einzelner Abschnitte zu denen im vorliegenden Beispiel ein Zufuhr- und Pumpabschnitt 5o, ein erster Homogenisierungs-(Misch-) Abschnitt 6o, ein zweiter Homogenisierungs-(Misch-) Abschnitt 7o, ein dritter Homogenisierungs- (Misch-) Abschnitt 8o und ein Abschlußpumpabschnitt 9o gehören. Der

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Zufuhr- und Pumpabschnitt 60 umfaßt gewöhnlich denjenigen Teil des Körpers 12 und des Rotors, der sich vom hinteren Ende des Rotors 16 und des Körpers 12 bis zu einem Punkt der Bohrung 14 erstreckt, der beträchtlich vor dem Einfülltrichter 3o liegt. Der Rotor 16 ist mit einem oder mit mehreren ersten Schneckenzähnen 52 versehen, die spiralförmig um ihn herum über seinen Zufuhr- und Pumpabschnitt 5o hinweg verlaufen. Rotor 16 und erste Schneckenzähne 52 haben die Aufgabe das in den Einführtrichter 3o gegebene Material, wie beispielweise geschmolzenes oder halbgeschmolzenes thermoplastisches Material, in Form von beispielsweise Polyäthylen, aufzunehmen und zu den Homogenisierungsabschnitten 60, 7o und 80 des Extruders 12 weiter zu pumpen, woraufhin es in ähnlicher Weise weiterverarbeitet wird, wie dies in dem obenerwähnten US-Patent 3 85o 414, auf das- hier bezug genommen wird, angegeben ist.

Die Homogenisierungs- (Misch-) Abschnitte 60, 7o und 80 enthalten wenigstens drei oder vier Schneckenzähne, im vorliegenden Beispiel sind es drei, die mit 62, 64 und 66 bezeichnet sind und die wenigstens zwei Kanäle begrenzen, nämlich, wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt, einen ersten Kanal 68 und einen zweiten Kanal 72. Während das Material sich der Bohrung 14 entlang bewegt,gelangt es in den ersten Kanal 68 des Homogenisierungsabschnittes 60. Innerhalb dieses Kanals entsteht im thermoplastischen Material ein Druck aufgrund der Drehbewegung des Rotors 16 und da dieser erste Kanal 68 für alle in der Praxis vorkommende Fälle am Ende des betreffenden Abschnittes durch einen Ring 74 versperrt ist. Der Ring 74 ist von Kreisringform, wobei über ihn wenigstens eine -Absperrwand (76) da verläuft, wo er jeweils den zweiten Kanal 72 des Rotors guert, über die das Material in gedrosseltem Fluß in den zweiten Kanal 72 gelangen kann. Die Absperrwand 76 des Ringes 74 ist in Fig. in Draufsicht und in Fig. 3 in Schnittdarstellung gezeigt. Der Druck, der innerhalb des ersten Kanals 68 aufgrund des Ringes 74 entsteht, führt zu einem Druckgefälle bezüglich des zweiten Kanals 72. Das Material fließt daher über den Schneckenzahn 64, der den ersten Kanal 68 vom zweiten Kanal 72 trennt, da dieser

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Schneckenzahn 64 zwischen den beiden Kanälen einen größeren lichten Raum zu der Wandung der Bohrung 14 hat.

Das Ausmaß an Scherbeanspruchtung, das erforderlich ist, um das zu bearbeitende Material zu homogenisieren, (beispielsweise Polyäthylen geringer Dichte) ist maßgebend für die Anzahl von Schneckenzähnen und die Anzahl der Kanäle und Homogenisierungsabschnitte, die sich auf dem Rotor 16 befinden. Das Ausmaß an Scherbeanspruchung, das in jeweils in einem der Homogenisierungsabschnitte 6o, 7 ο oder 8o hervorgerufen werden kann, wird durch die Fähigkeit der Wärme-transportbahnen 18, eine ausreichende Kühlung herbeizuführen, bestimmt. Der Wärmeaustausch zwischen dem zu bearbeitenden thermoplastischen Material und dem Kühlmedium, das in den Wärmeaustauschbahnen fließt, wird durch Verwendung eines Rotors mit wenigstens drei oder vier schraubenlinienförmig um ihn herum verlaufenden Schneckenzähnen verbessert, wie vorstehend erwähnt, wodurch die Frequenz, mit der die Wandung der Bohrung 14 von Material freigeschabt wird, sich erhöht. Die Scherrate, d.h. die Rate, mit der das Material durch Scherung deformiert wird, hängt von der Geometrie des Rotors 16, der Geschwindigkeit desselben und dem Rückstau ab, der durch den Ring 74 an den Enden der einzelnen Homogenisierungsabschnitte hervorgerufen wird. Der durch den Ring 74 bedingte Rückstau ist von der Ausnehmung bzw. der Form der quer zum Ring verlaufenden Absperrwände 76 und vom Abstand zwischen Ring und Wand der Bohrung 14 abhängig. Die Form der Absperrwand kann derart errechnet werden, daß sich ein Gleichgewicht zwischen der Kühlkapazität (Wärmeabfuhrfähigkeit) und der Arbeitsleistung (Scherprozeß) die im Material aufgebracht wird, einstellt, so daß sich eine Optimierung ergibt. Der lichte Raum über dem Schneckenzahn 64 zwischen dem ersten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 72 beeinflußt das Material wenn es in den Homogenisierungsabschnitten diesen Schneckenzahn überquert. Die Tiefe des ersten Kanals 68 und des zweiten Kanals 72 kann gegenüber

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der Darstellung in Fig. 4, wo sie etwa gleich groß ist, so verändert sein, daß der Materialaustausch zwischen den Kanälen noch weiter verbessert wird. Bei der Bearbeitung von Polymeren wie z.B. Polyäthylen mit niedriger Dichte ist jedoch eine vollständige Homogenisierung nicht wünschenswert bzw. nicht notwenig. Aus diesem Grund weist die Bohrung 14 beim Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von ringförmigen Rillen 84 auf, die um sie herum verlaufen und von denen in Fig. 2 lediglich eine dargestellt ist. Die ringförmigen Kanäle 64 können symmetrisch zur Längsachse der Bohrung 14 verlaufen, müssen es aber nicht. Eine nicht-symmetrische Absperrwand bewirkt eine graduelle Zunahme bzw. Abnahme in dem Entlastungskanal·. Jeder der ringförmigen Kanäle 84 ist in Längsrichtung von einem der Ringe 74 um eine bestimmte Strecke beabstandet. Der Rotor 16 kann zusätzlich um eine bestimmte Strecke in axialer Richtung mit Hilfe eines Getriebemechanismus 86 bewegt werden, der dem Motor 2o und dem Getriebe 24, das

ist

mit ihm gekoppelt ist, zugeordnet^ Das Ausmaß der axialen Lageveränderung des Rotors 16 reicht aus, um wenigstens einen der ringförmigen Kanäle 84 und wenigstens einen der Ringe 74 in gegenseitige radiale Fluchtung zu bringen. Der Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Ringen74 und aufeinanderfolgenden Kanälen 84 kann verschieden groß sein, so daß wahlweise oder aufeinanderfolgende Entlastungswege der Ringe 74 für die entlang bewegte Masse entstehen.

Die axiale Lageverschiebung des Rotors gestattet es dem Homogenisierungsextruder 1o mit verringerter Leistung zu arbeiten, so daß das Material überhaupt nicht oder nur unvollständig homogenisiert wird. Indem der Rotor 16 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung nach links bewegt wird, gelangen der Ring und die auf ihm befindliche Absperrwand 76 in eine Stellung, die radial gegenüber der Rille bzw. dem ringförmigen Kanal84 liegt, so daß der dem Durchfluß entgegengesetzte Widerstand (und damit die Scherwirkung) verringert oder ganz beseitigt werden,

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was vom Ausmaß der axialen Lageverschiebung abhängt.

Material hoher Viskosität, das für einige Produkte nicht homogenisiert zu werden braucht, kann im Extruder To bei axial verschobenem Rotor 16 bearbeitet werden, so daß die Misch- und Homogenisierungswirkung beseitigt oder verringert wird, und keine hohen Drucke in der Extruderbohrung 14 und hohe Temperaturen im zu bearbeitenden Material entstehen, was ohne die erfindungsgemäßen Maßnahme eine Verringerung des Ausstoßes und damit der Effizienz der Maschine To erforderlich machen würde.

Die Erfindung stellt also einen effizienten Extruder dar, bei dem der Homogenisierungsgrad des bearbeite ten thermoplastischen Materials veränderlich ist. Dies geschieht durch Verwendung eines Rotors bzw. einer Schnecke in der Bohrung des Extruders, die dem Materialdurchgang bestimmte Widerstände entgegensetzt und durch Ausgestaltung der Bohrung der Maschine mit um sie herum verlaufenden ringförmigen Kanälen in Verbindung mit der Möglichkeit der axialen Verschiebung des Rotors, um Entlastungswege für das zu bearbeitende Material zu beschränken. Der Extruder erhält dadurch die Fähigkeit, ein breites Spektrum von thermoplastischen Materialien in sehr wirtschaftlicher und effizienter Weise zu mischen und zu extrudieren.

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Leerseite

Claims

DIPL. ING. HEINZ BARDEHLE München, DIPL. CHEM. DR. PETER FÜRNISS PATENTANWÄLTE 2852046 Aktenzeichen: Unser Zeichen: p 2794 Anmelder: USM Corporation Patentansprüche

1.\ Extruder zur Bearbeitung thermoplastischer Materialien eine
mit einem''in seiner Längsausdehnung verlaufenden Bohrung versehenen Körper, mit einem Rotor, um den herum schraubenlinienförmig wenigstens ein Schneckenzahn verläuft, mit einer Zufuhröffnung am einen Ende des Körpers, über die das zu bearbeitende Material eingegeben wird und die mit der Bohrung in Verbindung steht und mit einer Ausgabeöffnung am anderen Ende des Körpers, durch die das bearbeitete Material extrudiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (16) wenigstens eine im wesentlichen ringförmige um ihn herum verlaufende Absperrwand (74, 76) aufweist, die mit wenigstens einer Einsenkung versehen ist, über die ein Materialfluß möglich ist, und daß ein Absperrentlastungskanal (84) sowie Mittel (86) vorgesehen sind, mit deren Hilfe der Rotor (16) und die ringförmige Absperrwand (74, 76) bezüglich des Entlastungskanals (84) verschoben werden können, so daß die Beeinflussung des zu bearbeitenden Materials sich variieren läßt.

2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Absperrentlastungskanal (84) als ringförmiger Kanal ausge bildet ist, der um die Bohrung (14) des Körpers (12) herum verläuft.

3. Extruder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Kanal (84) in Längsrichtung innerhalb der axialen Verschiebestrecke der ringförmigen Absperrwand (74, 76) auf dem Rotor (16) liegt, so daß bei einer axialen Verschiebung des Rotors (16) er in radiale Fluchtung mit der Absperrwand

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Kanzlei: Herrn«raAe 15, München 83 q^GINAL INSPECTED

(74, 76) gebracht werden kann, so daß wenigstens ein Teil des Widerstandes beseitigt wird, der de-r, Materialfluß zwischen der Wandung der Bohrung (14) und dem Rotor (16) entgegengesetzt ist.

4. Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des ringförmigen Kanals (84) in der Bohrung (14) bezüglich der Längsachse unsymmetrisch ist.

5. Extruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor

(16) in der Bohrung (14) stufenweise axial verschiebbar ist, um eine definierte Änderung des Widerstandes zu erzielen, die dem Materialfluß zwischen der Absperrwandung (74, 76) des Rotors (16) und der Wand der Bohrung (14) im Maschinenkörper entgegengesetzt wird.

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