DE3150757C2

DE3150757C2 - Mischvorrichtung für einen Extruder für plastische Massen

Info

Publication number: DE3150757C2
Application number: DE3150757A
Authority: DE
Inventors: Hisahiko Tokio/Tokyo Fukase; Akihiro Yokohama Kanagawa Nomura; Sadahiko Naka Kanagawa Shinya
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1980-12-27
Filing date: 1981-12-22
Publication date: 1984-12-06
Also published as: DE3150757A1; JPS57110429A

Abstract

Es wird eine Mischvorrichtung offenbart, die insbesondere dazu geeignet ist, in einem hohen Maß eine flüssige, pastöse oder schlammige Mischung aus hochviskosen fließfähigen oder erweichten plastischen Massen, hochmolekularen Zusammensetzungen mit oder ohne Additive zu mischen und zu dispergieren. Die Vorrichtung weist eine Gruppe mit drehenden Schaufeln sowie eine Gruppe mit ortsfesten Schaufeln, die axial miteinander abwechselnd angeordnet sind, auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung für einen Extruder zum Auspressen von verflüssigten oder erweichten plastischen Massen oder Harzen mit einem Kranz von radial nach außen gerichteten, rund um die zylindrische Außenfläche einer mittigen, um ihre Achse drehbaren Welle angeordneten Schaufeln, die eine Drehschaufelgruppe bilden, und mit einem Kranz von radial einwärts gerichteten, an einer Inneren Zylinderfläche eines zylindrischen Gehäuses angebrachten Schaufeln, die eine Standschau fei gruppe bilden, wobei die drehbare Welle im Gehäuse derart aufgenommen Ist, daß die Stand- sowie Drehschaufelgruppe in axialer Richtung einander benachbart sind.

Es wurden verschiedene Methoden für das Mischen von verflüssigten oder fließfähig gemachten Harzen, die aus Plastikmassen-Extrudern ausgepreßt werden, zur Anwendung gebracht. Diese Verfahren können folgendermaßen aufgegliedert werden:

1. Der Gegendruck Im Extruder wird erhöht, so daß die Verweilzelt des Materials, d. h. die Zeltspanne, In der

pfj 45 das Material Im Extruder bleibt, vergrößert und demzufolge der Mischungsgrad durch eine Speiseschnecke

Il gesteigert wird.

Um ein Mischen zu begünstigen, wird die Speiseschnecke an Ihrem vorderen (vorlaufenden) Ende oder In

'{.■_ Ihrem Mittelteil mit verschiedenartig ausgebildeten Vorsprüngen, wie zylindrischen Stiften, Flügeln oder

ja Rillen, versehen.

' 50 3. Nahe dem vorderen Ende oder dem Mittelteil der Speiseschnecke werden Leitbleche oder dergleichen

Bauteile angebracht, so daß zwischen der Speiseschnecke und dem diese umgebenden Zylinder oder Mantel eine Schneid- oder Schwerkraft entwickelt werden kann.
4. Wie Im Fall eines statischen Mischers wird Material, das In den Mischer fließt, stufenweise geteilt, und dann werden die geteilten Materialblöcke In einem Querschnitt des Mischers verschoben.

5. Bei dem Transfer-Mlschverfahren Ist die Zylinder- oder Gehäusewand mit Rillen oder Nuten versehen, während die Teile der Speiseschnecke, die den Rillen (Nuten) gegenüberliegen, nicht mit Schraubengängen versehen sind, od^r die Schraubengange sind In diesem Teil In Ihrer Höhe vermindert, so daß die Materialien gezwungen sind, vom Schraubenraum In die Rillen und zurück zum Schraubenraum zu fließen, und aufeinanderfolgend Scherkräften unterworfen werden, welche aufgrund des Unterschieds In der Umfangsgeschwindigkeit zwischen Zylinder- und Speiseschnecke entstehen.

Die oben skizzierten Methoden haben jedoch einige Nachtelle, die einer Lösung bedürfen.

' Bei der 1. Methode wird der Auslaß des Extruders verkleinert, so daß der Gegendruck In der Maschine

ansteigt, was konsequenterweise eine Wärmeerzeugung nach sich zieht, wodurch die Materlallen verschlechtert oder abgebaut werden und gleichzeitig Energleverluste eintreten. Bei der 2. Methode wirken die Vorsprünge so wie In einen Strom eingetriebene Pfosten oder Pfähle, d. h., der Strom wird durch diese Pfähle In viele TeIlströmc geteilt, UIc sich jedoch stromab sogleich wieder vereinigen. Insofern k;inn keine zufriedenstellende Dispersion erhalten werden HeI der .V Methode wird ebenso wie bei der I. Methode eine Überhitzung hervornc-

rufen. Zusätzlich stellen die durch die Leitbleche oder dgl. Bauteile, wenn deren Abschnitt kurz ist, getrennten Materlallen, sobald sie den Scherabschnitt durchlaufen haben, alsbald wieder Ihren ursprünglichen Zustand her. Bei der 4. Methode wird überhaupt keine Kraft entwickelt, um die Materialien vorwärtszutreiben, so daß sehr häufig - wie bei der 1. Methode - die Tendenz zum Auftreten von Überhitzung vorliegt. Um dieses Problem zu vermelden, kann der Mischer in seiner Länge nicht vergrößert werden, was zum Ergebnis hat, daß der (später noch zu erklärende) Dispersionsfaktor P im besten Fall nur in einer Größenordnung von 10³ Hegt. Bei der 5. Methode wird das Material gezwungen, zwischen der Speiseschnecke und den Rillen In der Innenwand des Zylinders hin- und herzufließen. Daher wird, wenn es gezwungen ist, in der radialen Richtung zu fließen, der Fluß geteilt und demzufolge werden die Bestandteile Ineinander dlsperglert. Deshalb kommt ein niedriger Gegendruck zur Anwendung. Um jedoch den Dispersionsfaktor zu erhöhen, muß das Verhältnis axiale Schnek- "> kenlänge/Zylinder-Innendurchmesser hoch sein. Zusätzlich wird eine spezielle maschinelle Bearbeitung von Speiseschnecke und diese umgebender Zylinderwand notwendig, was zur Folge hat, daß die Kosten für die Vorrichtung ansteigen.

Von diesen Methoden oder Vorrichtungen hat der statische Mischer die größte Dispersionsfähigkeit, d. h., er hat eine Grenzflächendichte ρ (der Flächeninhalt von neuen Grenzflächen pro Volumeneinheit nach einer Dispersion) In der Größenordnung von 10² (1/mm). Bei den anderen Vorrichtungen wird ein übermäßiges Vermengen oder Durchrühren wiederholt ausgeführt, um einen gewünschten Dispersionsfaktor zu erhalten.

Durch die DE-OS 26 50 248 wurde eine g-ntungsgemäße Mischvorrichtung bekannt, die zwischen das Werkzeug mit der Düse und die Schnecke eingefügt Ist und aus einer Welle mit vorspringenden Nasen sowie einem Gehäuse mit Gegennasen, welche mit den Nasen an der Welle zusammenwirken, besteht. Mit derartigen Nasen und Gegennasen, über deren Bemessung die genannte Druckschrift keine Angaben enthält, kann im Fall des Mischens von hochviskosen Materialien, wobei keine Turbulenzströmung auftritt, eine ausreichende und zufriedenstellende Wirkung nicht erhalten werden. Die damit erzielte Leistung wird bestenfalls gleich derjenigen sein, die mit einem bekannten, derzeit als besten Mischer eingestuften statischen Mischer zu erreichen ist.

Angesichts des Standes der Technik 1st es die Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung zu schaffen, mit der eine Grenzflächendichte von mehr als 10⁴ (1/mm) in einem einzigen Schritt zu erhalten ist, wobei eine Verschlechterung der Materialien durch Überhitzung vermieden wird, und die für Verfahren zur Herstellung von Arzneimitteln oder mit Verwendung von Katalysatoren, In denen die Materialien in atomaren oder molekularen Maßstäben dlsperglert werden müssen, zum Einsatz kommen kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung mit den Im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 herausgestellten Maßnahmen gemäß der Erfindung erreicht, wobei die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise weiterbilden.

Gemäß den die Erfindung kennzeichnenden Merkmalen sind für die Schaufeln von Dreh- und Standschaufelgruppe zwei Bedingungen zu erfüllen, nämlich einmal ein Verhältnis von Schaufellänge zum Abstand zwischen den Schaufeln von wenigstens 1,5 und zum anderen ein Verhältnis von Schaufelstärke zu Schaufellänge von höchstens 0,5.

Bisher war ein zufriedenstellendes Mischen und Dispergieren von hochviskosen Fließstoffen äußerst schwierig zu bewerkstelliget., mit dem erfindungsgemäßen Mischer kann jedoch ein höherer Dispersionsgrad mit einer Grenzflächendichte von mehr als 10⁴ (I/mm) leicht erreicht werden. Deshalb kann In Verfahren zur Herstellung von Arzneimitteln und In Verfahren, bei denen ein Katalysator verwendet werden muß, der höhere Dispersions- *o grad In atomarem oder molekularem Maßstab selbst bei hochviskosen Fließstoffen erhalten werden. Ferner kann die Erfindung mit Vorteil auf Verfahren angewendet werden, wobei plastische, pulverige Materlallen geknetet und mit Pigmenten, Additiven, kurzen Glasfasern, Kalziumkarbonatpulver oder dgl. dispergiert werden.

Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung wurde bisher als am vorderen Ende der Speiseschnecke des Extruders angebracht beschrieben; es 1st jedoch klar, daß sie als einzelne und unabhängige Einheit verwendet werden kann, z. B. kann sie in einer Pipeline angeordnet sein und auch als Pumpe Verwendung finden.

Am Erfindungsgegenstand können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden. So kann beispielsweise die hintere Kante einer jeden Schaufel die Form einer Schneidkante haben, und die Schaufeln können parallel zum Eintrittswinkel des plastischen Flusses angeordnet sein, so daß die Masse aufgeschnitten wird. Diese Anordnung oder Abwandlung kann beispielsweise auf die Dispersion von pulverartigen Materialien, wie Käse, der mit höchster Wahrscheinlichkeit verklebt, angewendet werden. Wenn der Steigungswinkel der Schaufeln In geeigneter Weise gewählt wird, kann der Materialfluß die Drehung der Drehschaufelgruppe bewirken, selbst wenn diese nicht mit einem eigenen Antrieb verbunden ist, und somit wird eine Dispersion herbeigeführt. In dem Fall, da die Schaufeln einen Steigungswinkel haben, Ist es vorzuziehen, die Standschaufelgruppe in geteilter Bauart auszuführen, d. h., die Gruppe besteht aus zwei gelrennten Abschnitten, so daß die Montage der Dreh- und Standschaufelgruppen erleichtert werden kann. Darüber hinaus kann die Drchschaufelgruppe mit einer hohen Geschwindigkeit unabhängig von der Speiseschnecke gedreht werden, so daß ein höheres Maß an Dispersionsfähigkeit erhalten werden kann.

Die hervorstechenden Eigenschaften und Vorteile des Erfindungsgegenstandes können, wie folgt, zusammengefaßt werden:

a) Die aktiv arbeitenden Kiemente sind als Schaufeln ausgebildet und in einem Kranz oder in mehreren Kränzen angeordnet, wobei die Schaufeln eine passend gewühlte Länge haben, so daß eine mit Vorrichtungen nach dem Stand der Technik bisher nicht zu erreichende Dispersionsfähigkeit erhalten werden kann. Zusätzlich kann die Vorrichtung In Ihrer Größe sehr kompakt gehalten werden.

b) Aus den unter a) angeführten Gründen kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bei Verfahren zur Herstellung von Arzneimitteln oder solchen Anwendung finden, bei denen Katalysatoren verwendet werden, wobei eine Dispersion In atomarem oder molekularem Maßstab gefordert wird.

c) Wenn die Schaufeln mit einem geeigneten Steigungswinkel angeordnet werden, kann eine Verschlechterung oder Herabsetzung von wesentlichen Bestandteilen aufgrund eines plötzlichen und hohen Druckabfalls vermieden werden.

d) Das Mischen und Dispergieren von zum Pfropfenfluß neigenden Massen, die hochviskose öle, Pasten, Tone oder dgl., die nicht an den Wänden der von den Schaufeln begrenzten Durchgänge haften, oder das Mischen und Dispergieren von solchen Massen mit Additiven kann leicht sowie einfach mit ganz geringen Änderungen, wie z. B. Vergrößerung des Abstands zwischen den Stand- und Drehschaufel kränzen, ausgeführt werden.

e) Eine Materialmasse kann sowohl in der axialen wie In der radialen Richtung in kleine Blöcke oder dgl. unterteilt werden, die wiederum zu einer neuen Dispersionscharakteristik umgeordnet werden. Das hat zur Folge, daß mit dem Erfindungsgegenstand eine Dlsperslonsf&hlgkeit zu erreichen 1st, die gleich oder höher als diejenige Ist, die man mit dem bekannten Verfahren erlangen kann, wonach das Material durch eine Pelletisiermaschine zu Pellets reduziert wird, die dann gemischt und dlspergiert werden.

Die erste Bedingung ist unentbehrlich für die die Dispersion beeinflussende Umfangsgeschwindigkeit der Formmasse, damit eine angemessene Relativgeschwindigkeit vorliegt, bevor die Masse In einen nächsten oder folgenden Schaufelkranz eintritt, worauf später noch näher eingegangen werden wird. Wird diese erste Bedingung nicht erfüllt, so kann der Unterschied In der Größenordnung von 10⁴ In der Leistung gegenüber dem derzeit besten statischen Mischer nicht verwirklicht werden.

Die zweite Bedingung dient dazu, den Widerstand Im Fluß zu vermindern und ein Blockleren des Flusses auf Grund einer axialen Überlappung von benachbarten abwechselnden Schaufelkränzen zu verhindern, wenn die Formmasse in der axialen Richtung der Dispersionsvorrichtung fließt, was bedeutet, daß eine dünnere Schaufel von Vorteil ist.

Der Erfindungsgegenstand wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Flg. 1 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe mit drehenden Schaufeln gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer aufgeschnittenen Baugruppe mit ortsfesten Schaufeln;
Flg. 3 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung gemäß einer ersten Ausführüngsform nach der Erfindung;

Fig. 4A eine Ansicht einer Schaufel In vergrößertem Maßstab for die Baugruppe von Fig. 1;
Fig. 4B eine Ansicht einer Schaufel in vergrößertem Maßstab für die Baugruppe von Flg. 2;
Fig. 5 den Querschnitt nach der Linie V-V in der Fig. 3;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Baugruppe mit drehenden Schaufeln, die mit einem Steigungswinkel angeordnet sind;

Fig. 7 einen abgebrochenen Längsschnitt einer gegenüber der In Flg. 3 gezeigten Vorrichtung abgewandelten Ausführungsform;

Fig. 8 den Querschnitt nach der Linie VIII-VlIl In der Fig. 7;

Fig. 9 ein Schema zur Erläuterung der Dispersion bei einer Anordnung mit Düse sowie erstem Kranz aus ortsfesten Schaufeln;

Fl g. 10 ein Schema zur Erläuterung der Dispersion von Materialien mit einem geringeren Grad an gestaffelter Strömung in einem Kranz aus ortsfesten Schaufeln;

Fig. 11 ein Schema zur Erläuterung der Dispersion im Kranz mit drehenden Schaufeln bei Umkehr der Materialien am Schaufelkopf;

Fig. 12 ein Schema zur Erläuterung der Dispersion bei in Abstand voneinander angeordneten Kränzen von *5 ortsfesten und drehenden Schaufeln;

Fig. 13 A und 13 B Schemata zur Erläuterung des hler verwendeten Ausdrucks »Dispersionsfaktor«;
Fig. 14 A und 14 B Schemata zur Erläuterung der Dispersion am Düsenaustritt der In Fig. 3 dargestellten Mischvorrichtung:

Fi g. 15 A und 15 B Schemata zur Erläuterung der Dispersion am Düsenaustritt eines statischen Mischers.
⁵" Die in den Fig. 1 bis § dargestellte Vorrichtung weist eine Baugruppe 1 (im folgenden als »Drehschaufelgruppe« bezeichnet) mit einer Welle 2 auf, auf welcher mehrere Schaufelkränze 4 aus Schaufeln 3 angeordnet sind. Die Schaufeln 3 sind zueinander beabstandet und ragen von der Welle 2 radial auswärts. An der Welle 2 1st ein Außengewindeteil 6 ausgebildet, das mit einem passenden (nicht gezeigten) Innengewindeteil einer <· Speiseschnecke 5 (F I g. 3) zum Eingriff gebracht werden kann.

Eine in Fig. 2 gezeigte Baugruppe 7 (nachfolgend als »Standschaufelgruppe« bezeichnet) weist ein zylindrisches Gehäuse 8 mit Flanschen an seinen beiden Enden und drei In axialer Richtung beabstandete Schaufel- t kränze 4' von ortsfesten Schaufeln 3', die zueinander mit Abstand angeordnet sind und sich radial einwärts zur Drehschaufelgruppe 1 hin erstrecken, auf.

Wie Fig. 3 erkennen läßt, 1st das rückwärtige Ende, d. h. das Außengewindeteil 6 der Drehschaufelgruppe 1 fest mit dem Frontende 9 der Speiseschnecke 5 verbunden, während der rückseitige Flansch der Standschaufel gruppe 7 fest mit dem vorwärtigen Ende eines Zylinders 10 verbunden ist Am vorderen Ende der Standschau- * feignippe 7 ist ein Düsenkopf 11 befestigt. Ein Antrieb 12 dreht die Speiseschnecke 5; zu verarbeitendes Mate- Ti rial 14 wird einem Fülltrichter 13 zugeführt. Die Schaufelkränze 4 aus den Schaufeln 3 der Drehschaufelgruppe 1 und die Schau fei kränze 4' aus den Schaufeln 3' der Standschaufelgruppe 7 wechseln In axialer Richtung miteinander ab und sind zu einander benachbart derart angeordnet, daß die Schaufel kränze 4 und 4' sich gegenseitig nicht stören.

Die Gestalt der Dreh- und Standschaufeln 3 bzw. 3' Ist den Flg.4 A bzw. 4B zu entnehmen. Die Schaufel- \ länge 1 ist so festgelegt, daß, wenn die flüssige Formmasse aus jedem Schaufclkranz austritt. Ihre Umfangs- #,

geschwindigkeit Im wesentlichen gleich derjenigen des Schaufelkranzcs Ist, und zwar aus den nachstehend erläuterten Gründen. Zu diesem Zweck wird die Bedingung l/W 3: 1.5 erfüllt, worin W der Abstand zwischen den Schaufeln (In Umfangsrlchtung) Ist, wie Flg. 5 zeigt. Um den Druck und den Widerstand in der Vorrichtung zu vermindern, Ist die Schaufelstärke / durch die Bedingung ι/ r& 0,5 bestimmt. Um eine Hemmung des axialen Flusses sowie die Erzeugung von Pulsationen aufgrund der Lagebeziehung zwischen In axialer Richtung i benachbarten Schaufeln zu vermeiden und um eine Stauung der Formmasse nicht auftreten zu lassen, sind vorzugsweise die vorderen und hinteren Kanten 15', 15 einer jeden Schaufel 3, 3' scharf ausgebildet; alternativ können die Schaufeln 3, 3' eine Stromlinienform haben.

Wie Flg. 6 zeigt, können die Schaufeln einen Steigungswinkel Θ haben, der so gewählt Ist, daß die Schaufelgruppen die Formmasse zwingen, gleich der Speiseschnecke zu fließen, oder daß die Drehschaufelgruppe 1 dazu gebracht wird, durch den Fluß der pulverigen Preßmasse zu drehen, wenn sie am Austragende des Extruders drehbar gelagert und von der Speiseschnecke 5 gelöst 1st. Wenn die Schaufeln unter einem geeigneten Steigungswinkel Θ angeordnet sind, so können höhere Mischgrade und bessere Dispersionseffekte erhalten werden.

Die Flg. 7 und 8 zeigen eine Abwandlung, wonach sich von den Schaufeln 3, 3' kürze Schaufelblätter 16 bzw. 16' erstrecken können. Diese kurzen Schaufelblätter 16, 16' haben eine geringere Höhe als die Schaufeln 3 bzw. 3' und greifen kämmend zwischen Dreh- und Standschaufelkränze ein, so daß das Mischen und Dispergieren der Formmasse noch welter erleichtert bzw. verbessert wird.

Das Arbeltsprinzip und die Betriebsweise der Vorrichtung gemäß der Erfindung werden Im folgenden erläutert, wobei nochmals die Flg. 3 heranzuziehen 1st. Das pulverförmige Material 14 wird In den Fülltrichter 13 eingegeben und die kontinuierlich drehende Speiseschnecke 5 drückt die pulverige Preßmasse langsam durch den Zylinder 10, der erwärmt wird. Wenn das Material 14 das Frontende 9 der Speiseschnecke 5 erreicht, ist es bereits vollständig verflüssigt oder erweicht.

In Fig. 9 Ist eine Abwicklung der Felnveriellung (Dispersion) der Formmasse, die am vorderen Ende der Speiseschnecke 5' und am ersten Standschaufelkranz 4' erweicht oder verflüssigt Ist, gezeigt, wobei die Darstellung in Flg. 9 aus Gründen eines besseren Verständnisses vereinfacht ist. In der Figur sind die Abwicklungen 17, 17' des Kopf- bzw. Fußzylinders der Speiseschnecke 5 sowie die Abwicklungen 18, 18' des Kopf- bzw. Fußzylinders des Standschaufelkranzes 4' zu erkennen. Teilungsebenen 19, die die Formmasse im Standschaufelkranz 4' gleichmäßig parallel zur Achse G des Extruders teilen, geben auch die Orte der Standschaufeln 3' an. Imaginäre Teilungsebenen 20 deuten eine Teilung der Masse am Frontende 9 der Speiseschnecke 5 entlang der Achse G an und stimmen mit den Teilungsebenen 19 Im Standschaufelkranz 4' überein.

Die Speiseschnecke 5 übt die Preßkraft F auf die Formmasse aus, so daß diese zum Fließen In Richtung der Pfeile e gebracht wird, während Ihr eine Geschwindigkeitskomponente / in Umfangsrichtung rechtwinklig zur Achse G erteilt wird. Die Schaufellänge / ist sehr viel größer als der Abstand W zwischen den Schaufeln 3', so daß die erweichte Formmasse, die In den Standschaufelkranz 4' eintritt, gezwungen wird, in der axialen Richtung zu fließen; die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrlchtung geht unter. Das hat zum Ergebnis, daß ein Imaginärer Massenblock 21 aus Formmasse am vorderen Frontende 9 der Speiseschnecke 5 in eine Mehrzahl von kleinen Blöcken 21-1, 21-2, 21-3 und 21-4 aufgeteilt wird, die aufeinanderfolgend in die Schaufelzwischenräume des Standschaufelkranzes 4' verteilt werden. Diese kleinen Blöcke wdrden somit fortschreitend sowohl in der Richtung der Achse G wie In der Umfangsrichtung der Geschwindigkeitskomponente/bewegt, so daß sie in einer schrägen Richtung weitergeführt werden, die, wie In Flg. 9 Im Teil b gezeigt ist, unter einem Winkel mit Bezug zur Achse G verläuft.

Wenn das Auslaßende der Speiseschnecke 5 in Gegenüberlage zum Drehschaufel kranz 4 angeordnet Ist, so hat jedoch die von der Speiseschnecke S austretende Formmasse keine Umfangsgeschwindigkeit relativ zum Drehschaufelkranz 4, was zur Folge hat, daß der Imaginäre Massenblick 21 nicht geteilt und auf die aufeinanderfolgenden Schaufelzwischenräume des Drehschaufelkranzes 4 verteilt würde. «5

Aus der obigen Erläuterung wird ersichtlich, daß es gemäß der Erfindung erforderlich ist, daß sie in den Standschaufelkranz 4' eintretende Formmasse eine Geschwindigkeitskomponente In Umfangsrlchtung haben muß. In gleicher Weise ist es erforderlich, daß die erweichte plastische Masse, die aus dem Standschaufelkranz 4' aus- und In den folgenden Drehschaufelkranz 4 eintritt, eine relative Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung haben muß. Diese Erfordernisse können erfüllt werden, wenn UW S; 1,5 ist, wobei / die axiale Länge der Schaufel 3 oder 3' und W der Abstand zwischen benachbarten Schaufeln Cn Umfangsrichtung) !st, was oben schon erläutert wurde.

Wenn die Mischvorrichtung, d. h. das Aggregat aus Dreh- sowie Standschaufelgruppe 1 bzw. 7, nicht mit dem Frontende 9 der Speiseschnecke 5 verbunden Ist, sondern in einem zylindrischen Durchgang für die plastische Masse angeordnet 1st, so tritt die Masse in den ersten Schaufelkranz ein, der ein Drehschaufelkranz sein muß, so daß die vom ersten Schaufelkranz austretende fließende Masse in den folgenden oder zweiten Stand- _: schaufelkranz mit einer Geschwindigkeitskomponente In Umfangsrlchtung eintreten kann. Mit anderen Worten gesagt, der erste oder am weitesten stromoberhalb liegende Schaufeikranz der Dispersionsvorrichtung muß ein Drehschaufelkranz sein.

Der plastischen Masse wird, wenn sie aus dem Drehschaufelkranz oder der Speiseschnecke aus- und in den Standschaufelkranz eintritt, eine Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung erteilt. Da die Masse eine Anzahl von Dreh- und Standschaufelkranzpaaren durchläuft, wird sie den Dispersionsvorgängen unterworfen, und die Dispersionswirkung wird Im Verhältnis zur Anzahl der Dreh- und Standschaufelkranzpaare gesteigert.

Zu dem vereinfachten, in Fig.9 gezeigten Dispersionsmodell wurde gesagt, daß der imaginäre Block 21 in eine Mehrzahl von rechteckigen, quaderförmlgen, kleinen Blöcken 21-1 bis 21-4 unterteilt wird; in der Praxis werden diese jedoch, wie Flg. 10 zeigt, wegen der Reibung zwischen den Schaufel wänden und der fließenden plastischen Masse verformt. Die Dispersionswirkungen werden jedoch nicht verschlechtert, und es wird, da die erweichte Masse an einer Anzahl von Dreh- sowie Standschaufelkranzpaaren vorbeifließt, der Dlspersionsvor-

gang, wie oben erläutert wurde, demzufolge erhöht.

Die wichtigen Faktoren, die bei der behandlung von plastischer Masse mit einer starken Tendenz zum Pfropfenfluß in Betracht gezogen werden müssen, werden nachfolgend unter Bezugnahme auf Flg. 11 erläutert, die ein extremes Beispiel zeigt, wonach die plastische Masse, die ein erhöhtes Maß an Pfropfenflußtendenz hat, gezwungen wird, durch die Mischvorrichtung, In der der Abstand AL zwischen benachbarten Dreh- sowie Standschaufelkränzen Im wesentlichen gleich Null Ist, zu fließen. In diesem Fall rutscht die plastische Masse an den Schaufelwänden entlang, so daß die durchschnittliche Fließgeschwindigkeit Im wesentlichen über den gesamten Querschnitt des Strömungsdurchgangs gleich ist. Im schlimmsten Fall 1st die Dispersionscharakteristik c Im Drehschaufelkranz 4 Im wesentlichen der Dispersionscharakteristik α am Front- oder Auslaßende 9 der Speiseschnecke 5 gleichartig. Diese Erscheinung tritt auf, wenn die Geschwindigkeitskomponente in Umfangsrichtung der aus dem Standschaufelkranz 4' austretenden Masse (Dispersionscharakteristik b In Flg. 11) gleich dem absoluten Wert der Umfangskomponente der aus der Speiseschnecke austretenden plastischen Masse Ist, In

; der Richtung jedoch entgegengesetzt Ist.

Deshalb wird, wie Fig. 12 zeigt, der Abstand AL zwischen den Dreh- und Standschaufelkränzen 4, 4' vergrö-

•15 ßert, und zwar für einen extremen Fall um einen Wert, der Im wesentlichen der Schaufellänge / gleich ist. Damit wird aufgrund des Unterschieds sowohl in den Umfangs- wie In den Radialgeschwindigkeiten zwischen den Stand- und Drehschaufelkränzen 4, 4' die Dispersionscharakteristik b Im Standschaufelkranz 4' in die Dispersionscharakteristik d Im Abstand AL geändert, so daß die Umkehr der Dispersionscharakteristik Im Drehschaufelkranz 4 zur Dispersionscharakteristik α am Front- oder Auslaßende 9 der Spelseschnccke 5 vermieden werden kann.

Eine solche Umkehr in der Dispersionscharakteristik, wie sie oben beschrieben wurde, kann auch durch die In den Fig. 7 und 8 gezeigte Ausbildung vermieden werden, wonach die Dreh- und Standschaufeln 3, 3' mit Ihnen einstückige kurze Schaufelblätter 16, 16' aufweisen, die, wie oben erläutert wurde, kammartig Ineinandergreifen. Alternativ kann die Anzahl Im vorausgehenden Schaufelkranz unterschiedlich zur Anzahl des folgenden Schaufelkranzes gemacht werden. Zusätzlich können geeignet ausgebildete Fortsätze In den Abstand AL zwischen den Dreh- und Standschaufelkränzen 4, 4' hinein erstreckt werden.

Nachfolgend wird nun die verwendete Methode für eine numerische Abschätzung des Dispersionseffekts erläutert. Zuerst wird der Ausdruck »Dispersionsfaktor«, der hler verwendet wird, wie folgt, bestimmt. Es wird

' angenommen, daß eine Masse eines vorbestimmten Volumens In kleine Blöcke geleilt und die Charakteristik (Schema) dieser kleinen Blöcke neu geordnet wird. Die Masse wird dann ausgewiesen als »eine durch einen wirksamen Divisor geteilte Masse, wobei der Divisor eine Anzahl von neuen Grenzflächen darstellt, an denen die benachbarten kleinen Blöcke, welche im Schema neu geordnet worden sind, gemeinsam teilhaben«. Dieser Divisor wird dann als »Dispersionsfaktor« bezeichnet.

; Beispielswelse ist Im Fall des Im Teil b von Fig. 9 gezeigten Dispersionsmodells der Dispersionsfaktor in der Richtung der Achse G vier und in der Umfangsrlchtung (senkrecht zur Achse G) acht. Damit ist der Gesamt-Dispersionsfaktor 4x8 = 32.

Die Grenzflächendlchte q_a wird durch Multiplizieren des Dispersionsfaktors mit dem Flächeninhalt der Grenzfläche und Dividieren des Produkts durch ein Volumen, worauf noch eingegangen werden wird, erhalten. Je größer die Werte von P (Dispersionsfaktor) und q_a (Grenzflächendlchte) sind, desto größer 1st das Maß der

Dispersion. Die Abschätzung der Dispersion In Form von g_A wird äußerst häufig verwendet, weil der Grenzflächenbereich einer der am meisten maßgeblichen Faktoren bei der Dispersion Ist. Der Dispersionsfaktor P eines Schaufelkranzes wird, wie folgt, mit der nachstehenden Notation berechnet:

P = Dispersionsfaktor
« M = Anzahl der Schaufeln In einem Kranz

m = Anzahl der kleinen geteilten Blöcke bei Ihrem Fluß durch jeden Schaufelzwischenraum D = mittlerer Durchmesser in mm (siehe Fl g. 5)

W = Abstand zwischen benachbarten Schaufeln auf dem mit D (siehe Fi g. 5) gebildeten Kreis / = axiale Schaufellänge In mm

ν = durchschnittliche axiale Durchflußmenge in mm/s Im Schaufelzwischenraum (die als der durchschnittlichen axialen, in Flg. 9 mit e bezeichneten Strömungsmenge am Auslaßende der Speiseschnecke gleich angenommen wird)

t = die Zelt in s, die für einen Fluß durch den Schaufelzwischenraum erforderlich ist η = Umlaufgeschwindigkeit der Speiseschnecke und der Drehschaufelgruppe In U/s

Zuerst werden m und P erhalten. Durch Definition sind
; m W=At ■ nnD (D

Substituiert man Gl. (2) In Gl. (1), so erhält man

TiD I ft TiD ti\

/n = — = \i)

M ν

Somit ist

IMn (A)

Hier wird die folgende Notation verwendet:

ijm = Wirkungsgrad der Dosierpumpe (der die Anzahl der Teilungen der ausgetriebenen plastischen Masse pro Drehung der Speiseschnecke an deren Ausgang angibt; Im allgemeinen Ist eine einzelne Teilung gleich dem Durchmesser der Speiseschnecke) 5

H_M = der Unterschied in mm zwischen dem Innendurchmesser des Zylinders und dem Außendurchmesser der Welle der Speiseschnecke (siehe Flg. 3)

T = der Unterschied In mm zwischen dem Bohrungsdurchmesser (Fußkreis) der Standschaufeln und dem Außendurchmesser der Welle der Drehschaufelgruppe (siehe FI g. 5).

Damit Ist

T=H_M (S)

und 15

,_ Q

^ν (6)

worin Q = volumetrische Auspreßmenge In itim'/s und

Q = η/ηπϋ H_MDn (7)

Durch Substitution von Gl. (7) In Gl. (6) erhält man

₌ nmcDH_MDn

⁽⁸⁾

= r\m Dn (9)

Ist α=^-, so folgt · (10)

/ = «D (100

Durch Substitution von Gl. (9) und Gl. (10') in Gl. (4) erhält man

aß Mn ,...

m = (11)

nmnD

₌ «M ₍₁₂₎ 40

nm

Hieraus folgt, daß der Wen von m unabhängig ist von der Umlaufgeschwindigkeit n, daß er aber im Verhältnis zur Zahl M der Schaufeln sowie der Schaufellänge / im umgekehrten Verhältnis zum Pumpenwirkungsgrad i]m steht. 45

Hierauf wird der Dispersionsfaktor P berechnet. Es sei angenommen, daß die Masse mit dem Dispersionsfaktor P= 1, wie in Flg. 13 A gezeigt Ist, durch einen Schaufelkranz neu geordnet wird, wie Fi g. 13 B zeigt.

Dann Ist

P = M- Me (13) ⁵⁰

worin Me = der folgendermaßen erhaltene Divisor ist:

Da das Volumen der Masse, wie Fig. 13 A zeigt, selbst bei Neuordnung der Dispersionscharakteristik, wie Fi g. 13 B zeigt, unverändert bleibt, ist ⁵⁵

M WMe-T=QM' (14)

worin t' = die für das Auspressen eines vorbestimmten Volumens notwendige Zeit ist. Unter Verwendung von Gl. (13) und Umordnung von Gl. (14) erhält man P = M ■ Me =

P^At>

W-T (15)

	sei	*N_T:*	*Ί0Γ%^ΗΜ* *M ocM* *ητα* π At' M¹
Es	wird G
	*P =*	= π/ At'
dann	P At'	1.(17)
	*Ν_ΤΜ²*
oder	*= ηΜ²*

Durch Substitution der Gl. (2), (4). (5). (7). (100 und (11) in Gl. (15) erhält man
P = nmnlfHu η At'

M OUVl

ητα

(17)

Pc cpl

(18) (19)

Af - - ■ — —

Die Gl. (19) drückt die Dispersionsgeschwindigkeit aus.

Die Gl. (18) oder (19) zeigen, daß der Dispersionsfaktor P der Masse mit einem vorbestimmten Volumen nach Durchlauf durch einen einzelnen Schaufelkranz das Produkt der Zahl N₇- der Umdrehungen der Speiseschnecke und des Quadrats der Zahl M der Schaufeln in dem Kranz ist.

Als nächstes wird der Dispersionsfaktor Pc im Fall einer Mehrzahl von Schaufelkränzen berechnet. Bei einer plastischen Masse mit einem geringeren Grad an Tendenz zum Propfenfluß, wte Im Zusammenhang mit Flg. 10 beschrieben wurde (d. h., der zu Fig. 11 erläuterte extreme Pfropfenfluß tritt nicht auf), und auch im Fall des plastischen Flusses mit einem höheren Grad an Pfropfenfluß, wobei die Mischvorrichtung mit dem Abstand AL zwischen den mehr beabstandeten Schaufelkränzen, wie zu Flg. 12 erläutert wurde, zur Anwendung kommt, ist der Gesamt-Dispersionsfaktor das Produkt aus den Dispersionsfaktoren der jeweiligen Schaufelkränze. Der Dispersionseffekt im Abstand AL zwischen den Schaufel kränzen wird als vernachlässlgbar Im Vergleich zu dem in den jeweiligen Schaufelkränzen erhaltenen Dispersionsfaktor angesehen.
Es sei

NB = die Anzahl der Schaufelkränze (die in Fig. 3 gleich fünf und in Flg. 7 gleich vier ist) und
Pi = der Dispersionsfaktor der jeweiligen Schaufelkränze (worin /= 1, 2 und NB Ist).

Durch Definition folgt dann j«0 ■ ■-

Pc = P(I) P (2)- P(NB) (20)

, Es sei P (I) = P (2) = = P(NB) = P (21)

Substituiert man Gl. (21) In Gl. (20), so erhält man Pc = P""

und bei Substitution In Gl. (18) erhält man
Pc = (N₇-HPY"¹ (22)

Aus Gl. (22) folgt, daß der Gesamtdisperslonsfaktor im Verhältnis zu W₇-Af²), potenziert mit NB, steht, d. h. zur

Anzahl der Schaufelkränze.

'. Es soll nun die Mischvorrichtung gemäß elne.n Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer solchen nach

so dem Stand der Technik, Insbesondere mit einem statischen Mischer, der die größte Dispersionsfähigkeit hat und am einfachsten In seiner Quantallslerung Ist, verglichen werden. Die Grenzflächendichte qä wird unter den folgenden Bedingungen erhalten:

Die Masse mit einem Volumen von 1000 cm³ wird durch eine Düse In die Gestalt eines Zylinders mit dem Radius r=20mm und der Länge i = 318 mm (was einem Volumen von 1000 cm³ gleich Ist) gepreßt. Der die Mischvorrichtung gemäß dem Ausführungsbcispiel der Erfindung enthaltende Extruder hat die folgenden technischen Daten:

Durchmesser des Zylinders = 65 mm
' Umlaufgeschwindigkeit der Speiseschnecke = 60 U/mln
so Anzahl der Schaufelkränze NB = 1, 2, 3, 4 oder 5

Anzahl der Schaufeln in einem Kranz M = 8

Der statische Mischer hat 10 Arbelts- oder Mischelemente.

Für diese erfindungsgemäße Mischvorrichtung wird angenommen, daß die Dispersion In der radialen Richtung vermieden sei, wie Fig. 14 A zeigt, und der Zylinder In eine Vielzahl von keilförmigen Kreisausschnitten 22, wie Fig. 14 B zeigt, geteilt sei. Ein starkwandlger Hohlzylinder wird durch die Düse ausgepreßt und geht durch einen Schaufelkranz, so daß der Hohlzylinder radial einwärts zusammengedrückt und In der Folge seine Hohiform beseitigt wird, d. h., der Innendurchmesser wird null. Daß keine Dispersion In der radialen Richtung

auftreten wird, bedeutet, daß keine Dispersion in Richtung der Dicke T In Fig. 13 B erfolgt. Die Grenzflache A™ wird unter den obigen Bedingungen berechnet, d. h. ;

(23) j i worin?r² = der Flachenbereich der jeweiligen Grenzfläche ist, wo der Zylinder, wie Fig. 14A zeigt,

rechtwinklig zu seiner Achse aufgeteilt ist, und

rs = der Flächenbereich der jeweiligen Grenzfläche ist, wenn der Zylinder, wie Fig. 14A zeigt, i

durch die mit der Zylinderachse parallelen und durch diese verlaufenden Ebenen unter- ;

teilt ist. 105

Damit wird die Grenzflächendichte '

pATM = -IiL ₍₂₄₎ i

4^rS

Die mit einem statischen Mischer nach dem Stand der Technik erhaltene Dispersion 1st in Fig. 15 A, ein Dispersionselement 23 1st In Fl g. 15 B gezeigt. :

Der Bereich A_SM der Grenzschicht oder -flache ist gegeben durch 20

Asu =rs-2'° (25)

Somit wird

ASM = *!*- "

Setzt man die vorher erläuterten Werte In diese Gleichungen ein, so ergeben sich die Tabellen I und II. 30

Tabellel (Dispersionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung)

Der Vergleich zwischen den Tabellen I und II zeigt sofort, daß die Dispersionsfaktoren Pc bei dem erfindungsgemäßen Mischer alle höher sind als bei einem Mischer nach dem Stand der Technik, und zwar ohne 55 Rücksicht auf die Anzahl der Schaufelkränze (NB). Mit zwei Kränzen Ist die Flächendichte bei dem erfindungsgemäßen Mischer etwa viermal höher als bei einem statischen Mischer, sie ist mit drei Kränzen etwa 200mal höher, mit vier Kränzen etwa 10⁴ItIaI höher und mit fünf Kränzen etwa IO'mal höher. Daraus wird klar, daß der erfindungsgemäße Mischer einem statischen Mischer in seiner Dispersionsfähigkeit sehr weit überlegen ist. ■

NB	1	2	3	10¹⁰	4	• 10¹⁴	5	10¹⁷
Pc	3840	1,2·	10⁷ 5,7·	10⁹	2,2	• 10¹⁰	8,3·	10¹²
A_TM (mm )	4,1 · 10⁵	2,6-	10⁷ 1,6 ·	10⁴	9,8	•10⁵	6,1 ·	10⁷
pATM(l/mm)	4,1	256	1,6·		9,8	• 10⁴	6,1 ·	10⁵
pATM pÄSM"	0,06	3,9	245		1,5		9,4·
	Tabelle II
	(Mischer nach	dem Stand der Technik)
	PiAi
	A_SM (mm²)
	ASM (l/mm)
1024
6,5 · 10⁶
65,2

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen ί|

Claims

If Patentansprüche:

1. Mischvorrichtung für einen Extruder zum Auspressen von verflüssigten oder erweichten plastischen Massen oder Harzen mit einem Kranz von radial nach außen gerichteten, rund um die zylindrische Außen-

; 5 fläche einer mittigen, um ihre Achse drehbaren Welle angeordneten Schaufeln, die eine Drehschaufelgruppe bilden und mit einem Kranz von radial einwärts gerichteten, an einer Inneren Zylinderfläche eines zyllndrt-

• sehen Gehäuses angebrachten Schaufeln, die eine Standschaufelgruppe bilden, wobei die drehbare Welle im

: Gehäuse derart aufgenommen ist, daß die Stand- sowie Drehschaufelgruppe In axialer Richtung einander

benachbart sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Schaufellänge (/) zum Abstand

'ίο (WO zwischen den Schaufeln wenigstens gleich 1,5 ist, wobei der Abstand (HO zwischen benachbarten Schaufeln auf einem Kreis mit dem mittleren Schaufeldurchmesser (D) gemessen wird, und daß das Verhältnis der Schaufelstärke (/) zur Schaufellänge (I) höchstens gleich 0,5 Ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Stand- sowie Drehschaufelgruppe In axialer Richtung erweiterbar Ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Breite der Schaufeln (3, 3') liegende Kanten (15, 15') sfchürfkantlg ausgestaltet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Welle (2) fest mit einer Speiseschnecke (5) des Extruders und das Gehäuse (8) fest mit einem die Speiseschnecke aufnehmenden Zylinder (10) verbunden sind.

2"

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Antrieb (12) für eine

unabhängige Drehung der Welle (2) vorgesehen und das Gehäuse (8) fest mit einem Austragende des Extruders verbunden 1st.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (8) fest mit einem Austragende des Extruders verbunden ist und die Welle (2) einem Antrieb durch den Fluß des am Austragende des Extruders ausgepreßten Materials unterliegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Schaufelkränzen (4) an der Welle (2) und eine Mehrzahl von Schaufelkränzen (4') arn Gehäuse (8) vorgesehen sind, die miteinander abwechselnd sowie einander benachbart angeordnet sind.