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Dokumentenidentifikation DE2937688C2 12.10.1989
Titel Extruder mit einstellbarem Homogenisierungsgrad
Anmelder Farrel Corp., Ansonia, Conn., US
Erfinder Hold, Peter, Milford, Conn., US;
Tadmor, Zehev, Teaneck, N.J., US;
Scharer, Hans Rudolph, Woodbridge, Conn., US
Vertreter Pagenberg, J., Dr.jur., Rechtsanw.; Bardehle, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anw.; Frohwitter, B., Dipl.-Ing., Rechtsanw.; Dost, W., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Altenburg, U., Dipl.-Phys., Pat.-Anwälte; Kroher, J., Dr., Rechtsanw.; Geißler, B., Dipl.-Phys.Dr.-jur., Pat.- u. Rechtsanw., 8000 München
DE-Anmeldedatum 18.09.1979
DE-Aktenzeichen 2937688
Offenlegungstag 10.04.1980
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 12.10.1989
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.10.1989
IPC-Hauptklasse B29C 47/64

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Extruder zur Bearbeitung thermoplastischer Materialien nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die physikalischen und optischen Eigenschaften von Polyäthylen werden dadurch verbessert, daß das geschmolzene Material einer Scherbeanspruchung unterworfen wird. Zusätze, wie Bearbeitungszusätze, Stabilisatoren und Farbbestandteile werden gewöhnlich während dieses mechanischen Scherprozesses in das Material gegeben. Historisch bedingt erfolgt diese Materialscherung in Mischern oder in kalt beschickten Extrudern, indem das Material durch Aufbringen mechanischer Scherkräfte wieder in Schmelzfluß versetzt wird. Da das Material ursprünglich als Warmschmelze erzeugt worden ist, erfordert dieses Wiederschmelzen zwischenzeitliche Arbeitsschritte des Stückigmachens, des Kühlens und des Trocknens beim ursprünglich erzeugten Material.

Es sind bisher schon eine Reihe von Versuchen unternommen worden, die Leistungsfähigkeit von Extrudern zu verbessern bzw. das Maß an mechanischer Arbeit zu erhöhen, das in einem Extruder auf das thermoplastische Material einwirkt. Zu diesen Versuchen gehörte es, Extruderschnecken bzw. Extruderrotoren mit mehreren Stegen vorzusehen, die erste und zweite diesen Stegen zugeordnete Gänge aufweisen. Der Rotor wurde in eine Anzahl von Zonen unterteilt, die dem Einziehen, dem Homogenisieren und dem Pumpen des zu extrudierenden Materials dienen. Bei einem oder mehreren Gängen bzw. Kanälen in einer oder in mehreren Zonen des Rotors wurden stationäre Absperrwände vorgesehen, die einen Gegendruck auf das Material ausüben, das zwischen dem Außenrand des Rotors und der Innenseite der Bohrung, die den Rotor umgibt, durch den Extruder gefördert wird. Eine Maschine dieser Art ist in der US-PS 34 11 179 gezeigt.

Auch in der DE-AS 25 42 515 wird eine Extruderschnecke beschrieben, die so aufgebaut ist, daß jedes Materialteil beim Durchlaufen eines besonders ausgebildeten Bearbeitungsbereichs mehrmals über einen Steg hinwegzulaufen hat, der achsparallel zur Achse durch die Extruderschnecke angeordnet ist.

Bei der in der DE-OS 23 62 806 beschriebenen Schneckenpresse ist im Schneckengang ein Überströmsteg als trichterförmiger Doppelsteg ausgebildet, der einen Trichter bildet, der an seiner engsten Stelle einen Stauriegel im Form einer verstellbaren Drossel aufweist.

Aus der DE-OS 23 56 313 ist eine Schneckenpresse bekannt, bei der mehrere Überströmstege dicht hintereinander in einem Schneckengang angeordnet sind, wobei am Anfang und/oder am Ende der Überströmstege Stauriegel z. B. in Form verstellbarer Drosseln vorgesehen sind.

In der DE-OS 23 54 183 ist eine Extruderschnecke beschrieben, bei der im Schneckengang ein Überströmsteg vorgesehen ist, der sich über bis zu 30% der Gesamtschneckenlänge erstreckt. Am rückwärtigen Ende des Überströmstegs ist ein Stauriegel angeordnet, der ein zu schnelles Durchwandern des Materials verhindert.

Die Scherwirkung dieser Maschinen wird durch den Gegendruck verbessert, der durch die Absperrwände über die Kanäle in den Rotoren erzeugt wird. Einige Arten von Polyäthylen erfordern jedoch einen größeren oder einen geringeren Gegendruck als andere Arten (der den Grad der Homogenisierung von Polyäthylen bestimmt).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen homogenisierenden Extruder anzugeben, der in der Lage ist, eine Vielzahl verschiedener thermoplastischer Materialien, einschließlich Polyäthylen, zu extrudieren, indem bei ihm der Grad der Homogenisierung bzw. der Durchmischung verändert oder ganz zu Null gemacht werden kann. Mit diesem Extruder soll es möglich sein, die physikalischen und optischen Eigenschaften der thermoplastischen Materialien, wie z. B. Polyäthylen, zu verbessern. Es wird dabei ausgegangen von einem Extruder mit einem Hauptteil, der eine längs verlaufende Bohrung aufweist. An jeweils einem Ende der Bohrung befindet sich eine Zufuhröffnung bzw. eine Ausgabeöffnung für das zu bearbeitende thermoplastische Material. Innerhalb der Bohrung ist ein Rotor drehbar gelagert. Der Rotor ist mit einer Mehrzahl von spiralförmig angeordneten Stegen versehen. Diese Stege bewirken eine Bewegung und die Bearbeitung des Materials im Zuge der Durchförderung. Der Rotor ist in eine Anzahl von Bearbeitungszonen zum Einziehen, Mischen und zur Erzeugung einer mechanischen Scherwirkung beim zu bearbeitenden Material unterteilt. Es ist eine Anzahl von ringförmigen Elementen vorgesehen, die sich zwischen bestimmten Stegen befinden und einen Gegendruck verursachen und damit bewirken, daß das zu bearbeitende Material intensiver durchgemischt wird.

Erfindungsgemäß ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs nach dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 die Absperrwand bezüglich der Achse des Rotors radial beweglich. Hierdurch ist es gestattet, den Grad der Homogenisierung des Materials zu variieren. Die Absperrwände können radial nach innen oder nach außen in bezug auf die Achse des Rotors bewegt werden, wodurch sich in einfacher Weise der Abstand der radial äußeren Fläche der Absperrwand zur Oberfläche der Bohrung verändern läßt. Hierdurch ist es möglich, die Durcharbeitung der thermoplastischen Materialien zu variieren, ohne daß zwischen aufeinanderfolgenden Produktionsläufen größere Instandsetzungs- oder Änderungsarbeiten erforderlich sind. Die Struktur der Bohrung und deren Anpassung an radial veränderbare Absperrwände gestattet eine Großänderungsbreite bei der Bearbeitung thermoplastischer Materialien.

Zweckmäßige Weiterbildungen des Extruders nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Draufsicht, teilweise im Schnitt eines erfindungsgemäßen Extruders,

Fig. 2 die vergrößerte Explosionsdarstellung eines Teils der Maschine gemäß Fig. 1,

Fig. 3 die perspektivische Darstellung einer einstellbaren Absperrwand.

In den Figuren und insbesondere in Fig. 1 ist ein Extruder 10 dargestellt. Zu diesem Extruder gehört ein Hauptteil 12, der mit einer in Längsrichtung durch ihn hindurch laufenden Bohrung 14 versehen ist. Innerhalb der Bohrung 14 ist eine Schnecke bzw. ein Rotor 16 drehbar gelagert. Der Hauptteil beinhaltet auch Wärmeleitwege 18, die in Nachbarschaft der Bohrung 14 verlaufen und einen maximalen Wärmefluß gewährleisten.

Der Rotor 16 ist so ausgestattet, daß er von einem Motor 20 über ein Getriebe 24 angetrieben werden kann. Am Zufuhrende des Hauptteils 12 ist ein Einfüllstutzen 30 angeordnet, der über eine Zufuhröffnung 32 eine Verbindung mit der Bohrung 14 herstellt. In den Einfüllstutzen 30 eingegebenes Material fällt in die Bohrung 14 und wird durch diese hindurch durch den Rotor 16 an einen Extruderkopf 34 gefördert, der eine Ausgabeöffnung 36 aufweist, über die das bearbeitete Material an eine nicht dargestellte Aufnahmeeinrichtung ausgegeben wird.

Der Hauptteil 12 und der Rotor 16 des Extruders 10 bestehen aus einer Mehrzahl von getrennten Zonen, bei denen es sich im vorliegenden Beispiel um eine Einzugs- und Homogenisierungszone 50, Homogenisierungszonen 60, 70 und 80 sowie um eine abschließende Pumpzone 90 handelt. Die einzelnen Zonen sind jeweils durch einen Ring 74 voneinander getrennt, wie nachstehend noch beschrieben sein wird. Die Einzugs- und Homogenisierungszone 50 nimmt im wesentlichen denjenigen Teil des Hauptteils 12 und des Rotors 16 ein, der sich vom hintersten Teil des Rotors 16 und vom Hauptteil 12 aus bis zu einer Stelle erstreckt, die beträchtlich vor dem Einfüllstutzen 30 liegt. Der Rotor 16 ist mit einem oder mehreren ersten Stegen 62 und einem oder mehreren zweiten Stegen 64 versehen, die schraubenlinienförmig um den Rotor 16 herum durch dessen Einzugs-, Misch- und Pumpzonen hindurch verlaufen. Die ersten Stege in der einen Zone können in ihrer Fortsetzung die zweiten Stege in einer benachbarten Zone bilden. Der Rotor 16 und die Stege haben die Aufgabe, in den Einfüllstutzen 30 eingegebenes Material, wie z. B. schmelzflüssiges oder halbgeschmolzenes thermoplastisches Material, z. B. Polyäthylen, aufzunehmen, zu mischen und es in die stromabwärts liegenden Homogenisierungszonen 60, 70 und 80 des Extruders zu pumpen.

Die stromabwärts liegenden Homogenisierungszonen 60, 70 und 80 enthalten jeweils wenigstens ein Paar von Stegen, es sind jedoch vorzugsweise zwei bis vier Paare solcher Stege vorgesehen, in Fig. 2 sind zwei Paare gezeigt, von denen die ersten Stege mit 62 und die zweiten Stege mit 64 bezeichnet sind. Die ersten und zweiten Stege 62 und 64 begrenzen zwischen sich erste und zweite Kanäle bzw. Gänge 68 und 72. Ein erster Kanal 68 wird stromabwärts nach einer gewissen Verengung zu einem zweiten Kanal 72. Wenn das Material in Längsrichtung durch die Bohrung 14 gefördert wird, wird es veranlaßt, z. B. in einen der ersten Kanäle 68 einzutreten. Der Druck, der in diesem Kanal 68 innerhalb des thermoplastischen Materials erzeugt wird, erfährt in allen praktischen Anwendungsfällen am Ende der betreffenden Zone eine Abschirmung durch den Ring 74. Zu diesem Ring gehört wenigstens eine verstellbare Absperrwand 76, die lageveränderbar in einer Bohrung oder Öffnung 96 angeordnet ist und in eine räumliche Lage gebracht werden kann, in der sie wenigstens teilweise das Ende eines bestimmten zweiten Kanals 72 auf dem Rotor 16 absperrt oder begrenzt, so daß das durch diesen zweiten Kanal 72 fließende Material gedrosselt über die Absperrwand hinweg in einen ersten Kanal 68 gelangt. In Fig. 2 ist die Absperrwand 76, die das Ende des zweiten Kanals 72 an der Stelle des Rings 74 bildet, in Explosionsdarstellung gezeigt. Die Mitnahmewirkung des zweiten Steges 64 in der Nachbarschaft dieses zweiten Kanals 72 und der Druckunterschied zwischen dem ersten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 72 bewirken, daß das zu extrudierende Material über den zweiten Steg 64 fließt. Das Material, das vom zweiten Kanal 72 über die einstellbare Absperrwand 76 und in den angrenzenden Kanal 68 fließt, gelangt in einen ersten Kanal. Der Materialfluß erfolgt also über den Steg 64, wie in Fig. 2 durch Pfeile A angedeutet, wobei dieser Steg den ersten und zweiten Kanal 68 und 72 trennt und gelangt dann über die einstellbare Absperrwand, wie durch die Pfeile B angedeutet ist. Der zweite Steg 64 zwischen den beiden Kanälen hat eine größere lichte Weite gegenüber den Wänden der Bohrung 14 als sie zwischen dem Ring 74 und dem ersten Steg 62 und der Wand der Bohrung 14 vorhanden ist.

Die Scherwirkung, die erzeugt werden muß, um das zu bearbeitende Material (z. B. Polyäthylen) zu homogenisieren, bestimmt die Anzahl der Stege und demnach die Anzahl der Kanäle und Homogenisierungszonen, die der Rotor 16 aufzuweisen hat. Die Scherung, die in den einzelnen Homogenisierungszonen 60, 70 oder 80 auf das Material ausgeübt wird, ist begrenzt durch die Fähigkeit der Wärmeleitwege 18, für eine ausreichende Kühlung zu sorgen. Der Wärmefluß zwischen dem zu bearbeitenden thermoplastischen Material und dem Kühlmedium, das in den Wärmeleitwegen 18 fließt, wird durch Verwendung eines Rotors 16 verbessert, der wenigstens zwei bis vier Paare von Stegen aufweist, die, wie vorstehend erwähnt, schraubenlinienförmig um ihn herum verlaufen, so daß die Frequenz, mit der die Wand der Bohrung 14 von Material freigeschabt wird, erhöht ist.

Die Scherrate, die Rate, mit der das Material durch Scherung deformiert wird, hängt von der Geometrie des Rotors 16, von dessen Drehgeschwindigkeit und vom Gegendruck ab, der durch die einstellbaren Absperrwände 76 an den Grenzen der einzelnen Homogenisierungszonen hervorgerufen wird. Die Größe der lichten Weite über den Absperrwänden 76 kann so errechnet werden, daß sich ein Gleichgewicht zwischen der Kühlleistung (Wärmeabfuhrleistung) und dem Materialeinzug (Scherwirkung) als Optimum ergibt. Die lichte Weite der Stege 64 zwischen dem ersten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 72 beeinflußt das Material, wenn es über diese Stege in den Homogenisierungszonen hinwegbewegt wird. Die Tiefe der ersten Kanäle 68 und der zweiten Kanäle 72 kann verschieden sein, so daß der Materialaustausch zwischen den Kanälen noch weiter verbessert wird. Bei der Herstellung von Polymeren, wie z. B. Polyäthylen geringer Dichte, ist jedoch eine vollständige Homogenisierung nicht wünschenswert bzw. notwendig. Aus diesem Grund ist der Rotor 16 mit einer Mehrzahl der vorstehend erwähnten einstellbaren Absperrwände 76 versehen, die zwischen benachbarten Stegen oder in einer Unterbrechung eines der Ringe 74 oder aber in einer Unterbrechung in einem bestimmten Steg angeordnet sind. In Fig. 2 ist jedoch lediglich eine solche einstellbare Absperrwand 76 dargestellt. Diese Absperrwände gestatten eine Veränderung der Misch- und Homogenisierungseigenschaften des Extruders 10 in einem weiten Bereich. In der Seitenansicht erscheinen die einstellbaren Absperrwände 76 als umgekehrtes T.

In Fig. 3 ist eine solche Absperrwand 76 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Sie besteht aus einer Basis 84, die aus herstellungstechnischen Gründen vorzugsweise kreisringförmig ist. Quer über diese Basis verläuft ein Flansch 88, der die eigentliche Absperrwand bildet und senkrecht darauf steht.

Der Flansch 88 hat eine gekrümmte Fläche 92, die die radial äußerste Fläche der Absperrwand 76 darstellt, wenn diese am Rotor 16 befestigt ist. Die Basis 84 ist mit wenigstens einem Paar von Löchern 94 versehen, durch die Befestigungselemente, wie z. B. Schraubbolzen oder ähnliche Elemente, hindurch verlaufen. Wie die Fig. 3 zeigt, ist unterhalb einer einstellbaren Absperrwand 76 eine Unterlagscheibe 98 angeordnet. Jede Unterlagscheibe 98 weist wenigstens ein Paar von Löchern 95 auf, die den Löchern 94 in der Basis 84 der einstellbaren Absperrwand 76 entsprechen. Jede der einstellbaren Absperrwände 76 ist in einem entsprechenden Loch bzw. einer entsprechenden Öffnung 96 des Rotors 16 angeordnet. Die radial inneren Enden der Öffnungen 96 sind mit einem oder mehreren Sacklöchern 97 versehen, wie die Fig. 2 zeigt, die die Schraubbolzen aufnehmen, mit denen die Absperrwand 76 befestigt wird. Die Absperrwände 76 werden dadurch eingestellt, daß die Schraubbolzen, die durch die Basis 84 hindurch verlaufen und in den Gewindebohrungen gehalten sind, gelöst werden, daß dann eine oder mehrere der Unterlagscheiben nach Bedarf hinzugefügt oder weggenommen werden, so daß die radial obere Fläche entsprechend ihren Abstand von der Rotorachse ändert. Die Absperrwände 76 können um eine bezüglich der Achse des Rotors 16 radial gerichtete Achse schraubenartig gedreht werden, um auf andere Art den Grad der beim zu extrudierenden Material erzeugten Homogenität zu beeinflussen. Jede Unterlagscheibe 98 hat im wesentlichen dieselbe Form wie die Öffnung 96, in der sie im Rotor 16 aufgenommen ist, wodurch eine einfache Einstellung der veränderbaren Absperrwand 76 möglich ist.

Die einstellbaren Absperrwände 76 können durch entsprechend angeordnete, nicht dargestellte Zugänge erreicht werden, die sich öffnen lassen und durch die Wand des Hauptteils 12 hindurch gehen. Es kann auch der Rotor selbst aus der Bohrung 14 herausgezogen werden, um an die Absperrwände 76 zu kommen. Eine alternative Anordnung zum Erzielen einer Einstellmöglichkeit, d. h. zu einer radialen Bewegung oder zu einer Drehbewegung der Absperrwände 76 besteht darin, daß eine mechanische Gelenkverbindung vorgesehen ist, die sich durch einen Zentralkanal 78 im Rotor 16 hindurch zu den radial inneren Enden der Absperrwände 76 hin erstreckt und damit eine aus der Entfernung veranlaßte Bewegung ohne besonderen Aufwand ermöglicht.

Materialien sehr hoher Viskosität, die zur Herstellung von bestimmten Produkten benötigt werden, und keinerlei Homogenisierung erfordern, können im beschriebenen Extruder bei vollständig herausgenommenen Absperrwänden 76, die lediglich durch eine Mehrzahl von Unterlagscheiben 98 ersetzt sind, hergestellt werden, in welchem Falle sich eine gleichförmigere Bewegungsbahn für das zu extrudierende Material ergibt.

Der vorstehend beschriebene Extruder ermöglicht also eine Veränderung des Grades der Homogenisierung des durch ihn bearbeiteten thermoplastischen Materials. Dies geschieht, wie erläutert, durch eine radial einstellbare Absperrwand im Rotor in der Form, daß sich unterschiedliche Abstände zwischen dieser Wand und der Wand der Bohrung ergeben, oder dadurch, daß die Absperrwand verdreht wird, so daß die Absperrwirkung dem in den Gängen des Rotors fließenden Material gegenüber verändert wird, wodurch der Materialfluß an der Absperrwand verändert wird. Hierdurch ist ein Extruder geschaffen, mit dem in sehr wirtschaftlicher und wirkungsvoller Weise ein breites Spektrum verschiedenartiger thermoplastischer Materialien definiert, gemischt und extrudiert werden kann.


Anspruch[de]
  1. 1. Extruder zur Bearbeitung thermoplastischer Materialien mit einem Gehäuse, das eine längsverlaufende Bohrung aufweist, mit einem Rotor, der wenigstens einen schraubenlinienförmig um sich herum verlaufenden Steg trägt und der in der erwähnten Bohrung um die Längsachse drehbar gelagert ist, mit einer Zuführöffnung am einen Ende des Gehäuses für das zu bearbeitende Material, die eine Verbindung zu der erwähnten Bohrung herstellt, und mit einer Ausgabeöffnung am anderen Ende des Gehäuses, durch die das bearbeitete Material extrudiert wird, wobei eine einstellbare Absperrwand vorgesehen ist, mit der der Materialfluß des thermoplastischen Materials reguliert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrwand (76) bezüglich der Achse des Rotors (16) radial beweglich ist.
  2. 2. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) beweglich zwischen wenigstens einem Paar von Stegen (62, 64) angeordnet ist.
  3. 3. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Abstellwand (76) beweglich in einer Aussparung einer der Stege (62, 64) angeordnet ist.
  4. 4. Extruder nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) um eine bezüglich der Achse des Rotors (16) radial gerichtete Achse drehbar beweglich angeordnet ist.
  5. 5. Extruder nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) in einer im Rotor (16) befindlichen Öffnung (96) mit Hilfe von Halteelementen arretierbar angeordnet ist.
  6. 6. Extruder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) in radialer Richtung in bezug auf die Achse des Rotors (16) in ihre Lage durch mindestens eine Unterlagscheibe (98) veränderbar ist.
  7. 7. Extruder nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteelemente in Form wenigstens eines Bolzens ausgebildet sind, der die einstellbare Absperrwand (76) durchsetzt und in die erwähnte Öffnung (96) des Rotors (16) eingreift.
  8. 8. Extruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) dadurch in ihrer Lage von der Achse des Rotors (16) weg veränderbar ist, daß die Halteelemente gelöst und wenigstens eine Unterlagscheibe (98) am radial inneren Ende der Absperrwand (76) in die erwähnte Öffnung (96) des Rotors (16) eingesetzt wird.
  9. 9. Extruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) in ihrer Lage dadurch auf der Achse des Rotors (16) veränderbar ist, daß die Halteelemente gelöst und wenigstens eine Unterlagscheibe (98) aus der erwähnten Öffnung (96) im Rotor (16) entnommen wird und daraufhin die Halteelemente soweit angezogen werden, daß sie die Absperrwand (76) bis zum Anschlag auf die Achse des Rotors zu bewegen.
  10. 10. Extruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einstellbare Absperrwand (76) eine radial äußere Fläche (92) aufweist, die bogenförmig ausgebildet ist und in ihrer Kontur der Kontur der Bohrung (14) entspricht.






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