DE3026842C2 - Doppelschnecken-Entgasungsextruder für thermoplastische Materialien - Google Patents

Doppelschnecken-Entgasungsextruder für thermoplastische Materialien

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DE3026842C2
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Description

Die Erfindung betrifft einen Doppclschnecken-Entgasungsextruder gemäß dem Oberbegriff des Patentan-Spruches. Ein derartiger Extruder ist als bekannt vorausgesetzt.
Zur Entgasung sind auch Zweistufenextruder bekannt mit zwei neben- bzw. übereinander angeordneten Extrudern, die separat angetrieben werden (US-PS 34 70 584). Der thermoplastische Kunststoff wird vom ersten Extruder, '!er die Plastifizier- und Homogenisicrarbeit leistet, in eine Vakuumkammer gefördert, in der eine intensive Entgasung stattfirrJet. Von der Vakuumkammer gelangt dann das entgaste Material in den zweiten Extruder, der als Ausstoßc^truder ausgebildet ist.
Mittels einer derartigen Einrichtung können thermisch empfindliche, pulverförmige Materialien verarbeitet werden, wobei auf der einen Seite durch die Anordnung der zwei separaten Extruder sichergestellt wird, daß keine Überhitzungserscheinungen des Materials durch eine überhöhte Scherung erfolgt und wobei auf der anderen Seite eine gute Entgasung durch die sehr große Vakuumkammer erzielt wird. Nachteilig ist diese Anordnung deswegen, v/eil zwei separate ■Antriebe notwendig sind sowie die Einrichtung einen hohen Raumbedarf hat.
Die Verarbeitung eines thermoplastischen Kunststoffes, der einer starken Entgasung während des Extrudierprozesses unterworfen werden muß, schafft viele Probleme. Um ein Material ausreichend entgasen zu können, werden große Materialoberflächen benötigt. Da beim Anschluß eines Unterdruckes im Entgasungsbereich eine Schmelze infolge der verdampfenden flüchtigen Bestandteile stark aufschäumt, ist eine gute Entgasung jedoch nur dann realisierbar, wenn innerhalb des Extruders viel freies Volumen für den Aufschäumvorgang geschaffen wird.
Die Schaffung eines großen freien Volumens innerhalb eines Doppelschneckenextruders ist insbesondere dann von besonderer Bedeutung, wenn dem zu verarbeitenden thermoplastischen Material Wasser zugegeben wird, welches innerhalb des Extruders über den Siedepunkt erhitzt wird und somit in der Vakuumstufe, in der eine Druckentlastung des Materials durchgeführt wird, als Wasserdampf anfällt und die Schmelze stark aufschäumt. Der Wasserdampf reißt
■»> freie Monomerantcilc mit sich, wodurch eine ausgezeichnete Entgasung des thermoplastischen Mattrials durchführbar ist.
Wenn man sich also ein derartiges Entgasungsverfahren zunutze machen will, ohne auf die ausgezeichneten Plastifizier- und Homogenisierwirkungen eines Doppelschneckenextruders zu verzichten, ist es unerläßlich, innerhalb eines Doppelschneckenextruders ein sehr großes freies Volumen zu schaffen. Auf -der anderen Seite steht dem entgegen, daß die Schnecken eines Doppelschneckenextruders, die zwecks guter Förderleistung und Selbstreinigung im kämmenden Eingriff zueinander stehen, nicht beliebig im Kerndurchmesser reduziert werden können, da dann das Auskämmen des Schneckenkerns durch den Außcndurchmesser der ^chneckenstege nicht mehr gewährleistet ist. Somit bereitet die Schaffung von freiem Volumen bei Doppelschneckcnextrudern erhebliche Schwierigkeiten.
Aus der DE-PS 8 44 967 ist ein Doppelschneckenextruder bekannt mit unterschiedlichem Kern- und Zyünderdurchmesser. allerdings verringert sich der Schneckenaußendurchmesser in Arbeitsrichtung. Der Durchmesser der Schnecke in Teil A (F i g. I) und Teil C (Fig.2) ist größer als in den Teilen B und E. wodurch das freie Volumen in den Schneckenzylindern sich in Arbeitsrichtung verringert und wodurch somit das zu verarbeitende Material eine Komprimierung erfährt. Ein unter zunehmendem Druck stehendes Material kann jedoch nicht entgast werden. Für die Durchführung eines Entgasungsvorganges ist unbedingt eine Druckentlastung, d. h. Materialeruspannung erforderlich. Die Lehre dieser Entgegenhaltung führt also in eine völlig andere Richtung, weil erfindungsgemäß das übliche Konstrukiionsprinzip des zunehmenden Druckaufbaues zum Doppelschnecken-Extruderausgang hin verlassen wurde.
In dem Buch »Verwerten von thermoplastischen Kunststoffabfall«. VDI-Verlag GmbH 1979. Seite 91 und 92. wird ausgeführt, die Schir'ckenoberfläche im Bereich der Vakuumzone zu vergrößern, d. h. den Durchmesser an dieser Stelle größer als im Einzugs- und Plastifizierbercich zu gestalten. Aus Bild 19b ist jedoch ersichtlich, daß der Kerndurchmesser der Schnecken im Durchmesser vergrößert und die Schneckenteile vielgängig gestaltet wurden, wodurch die Vergrößerung der Schneckenobcrfläche verwirklicht wurde. Die Schaffung freien Volumens in der Entgasungs- und Ausstoßzone für eine Druckentlastung des Materials und für eine gute Entgasung schlägt die Literaturstellc nicht vor. Die in Bild 19.7 gezeigte Druckverlaufskurve zeigt in diesem Bereiche sogar ansteigende Werte. Eine Lehre für die Lösung der gestellien Aufgabe konnte der Fachmann somit aus dieser Literalurstelle nicht entnehmen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Doppelschnecken-Entgasungsextruder so auszubilden, daß damit gute Plastifizier- und Homogenisierergebnisse, insbesondere jedoch ausgezeichnete Entgasungsergebnisse erzielt werden können, auch dann, wenn dem Material Wasser als Entgasungshilfe (stripping agent) zugegeben wird.
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs niedergelegte Lehre gelöst.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Doppelschnekken-Entgasungsextruders sind insbesondere darin zu sehen, daß zwei extrem unterschiedliche Verfahrensbedingungen in einer Maschine auf sehr vorteilhafte Weise
miteinander vereinigt und durchgeführt werden können.
So benötig! man für die erste Stufe zum Plastifizieren des zu verarbeitenden Materials ein hohes Drehmoment (erreicht man durch großen Kerndurchmesser) und für das Homogenisieren und z. B. Einmischen von Schleppmitteln (stripping agents) hohes Schergefälle (erreicht man durch geringe Schneckengangtiefe gleich großer Kerndurchmesser).
In der zweiten Stufe, d.h. im Entgasungs- und Ausstoßteil weiden erfindungsgemäß ein ausschließlich i< > großes Volumen (gleich kleiner Kerndurchmesser und größerer Außendurchmesser) und geringes Schergefälle infolge der größeren Schneckengangtiefe realisiert.
In vorteilhafter Weise wird zur Volumensvergrößerung zusätzlich eine vergrößerte Steigung der Schnek- π kenstege vorgesehen, d. h_ daß der Winkel zwischen einer gedachten vertikalen Linie und den Schneckenstegen in der Entgasungs- und Ausstoßstufe größer ist als in der Plastifizier- und Homogenisierstufe.
Es werden somit in der ersten Stufe ausgezeichnete -" Plastifizier- und Homogenisierwirkungen erzielt. Die Scnneckendrcii/.iihi kann für den gewünschten Ausstoß frei gewählt werden, ohne daß auf die zweite Stufe Rücksicht genommen werden muß. je nach Wahl des Durchmesserverhältnisses kann ausgehend von der 2Ί ersten Stufe, die im allgemeinen den Abmessungen des .Standardextruders entspricht, für die Entgasungs- und Ausstoßstufe maximal das dreifache Fördervolumen erzielt werden. Der in diesem Bereich im Vergleich zur Standardmaschine geringe Schneckenkerndurchmesser s» kann akzeptiert werden, da das bereits aufgeschmolzene Material nur noch ein relativ geringes Drehmoment der Schnecke benötigt.
Bei Baukastenschnecken, deren Teile auf einem Zuganker bzw. Dorn aufgezogen werden, kann in r. vorteilhafter Weise der Dorn im Bereich der Entgasungs und Ausstoßzone auch mit verringertem Durchmesser ausgeführt werden, um die Vergrößerung des Volumens in diesem Bereich durch auf den Dorn aufzuziehende, einen noch geringeren Kcrndurchmcs- ■<" scr aufweisende Schneckenteile zu begünstigen.
Die erfindungsgemäße Ausbildung der zweiten Stufe stellt eine ausgezeichnete Entgasung des zu verarbeitenden Materials sicher, wei! viel freies Volumen unterhalb der Entgasungsöffnung geschaffen wurde. ■»'» Durch den stark reduzierten Kerndurchmesscr. bei gleichzeitiger Erweiterung des Innendurchmessers des Zylinders in der Entgasungsstufc. entsieht ein großes Fördervolumen und darril auch ein großes freies Volumen. ">"
Durch diese Maßnahme wird die Förderleistung stark erhöht, so daß auch bei starkem Aufschäumen einer Schmelze verhindert werden kann, daß sich die Gänge im Entgasungsbereich komplett füllen.
Weiterhin wird durch die Schaffung von viel freiem " Volumen sichergestellt, daß kein Material in die Entgasungsöffnung hochsteigen und den Entgasungsvorgang stören kann. Auch wird eine äußerst schonende Materialbehandlung durch eine derartige Ausbildung der zweiten Stufe erreicht, weil wenig Scherung des w Materials stattfindet und somit keine ungewollte Temperaturerhöhung eintreten kann.
Der Erfindungsgegenstand ist in der Zeichnung durch ein Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt und zwar zeigt f>5
Fig. I eine Dr£ufsicht auf einen Doppclschnccken-Entgasungscxtruder.
F i g. 2 einen Schnitt g·.. maß Linie H-Il in F i g. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Linie W-HI in Fig. I.
Der Doppelschnccken-Entgasungsextruder besteht aus mehreren Gehäuseabschnitten 1 bis 5. In dem Gehäuse befinden sich zwei miteinander kämmende Schnecken 6 und 7. Der Doppelschnecken-Entgasungsextruder setzt sich aus der Stufe 8, der Plastifizier- und Homogenisierslufe und der Stufe 9, der Entgasungs- und Ausstoßstufe zusammen. An den einzelnen Gehäuseabschnitten 1 bis 5 sind jeweils an den Enden Flansche ausgebildet, um die einzelnen Abschnitte miteinander verschrauben zu können.
In dem Gehäuseabschnitt 1 befindet sich die Eiiifüllöffnung 10 und an dem Gehäuseabschnitt 4 die Entgasungsöffnung II. Zwischen den Stufen 8 und 9 befinden sich an der Innenseite der Zylinder ein im Querschnitt etwa trapezförmig ausgebildeter Ring 12.
Die kämmenden Schnecken 6 und 7 bestehen aus einzelnen, auf Dornen bzw. Zugankern 13 und 14 aufgezogenen Schneckenteilen. Die einzelnen Schnekkenteile sind miiiels Paßfedern 15 und 16 gegen Verdrehung gesichert. Neben der Einfüllöffnung 10 befinden sich zwei Schneckenteiie 1.7 mit einem Rückfördergewinde, um zu vermeiden, daß thermoplastisches Material in die nicht gezeigte Antriebseinheit eindringt. Unterhalb der Einfüllöffnung 10 befinden sich eingängige Schneckenteile 18 mit schmaien Stegen 19. wodurch ein großes Einzugsvolumen in diesem Bereich geschaffen wird. An die Schneckenteile 18 schließen sich ebenfalls eingängige Schneckenteile 20 an. die breitere Stege aufweisen und somit einen Druckaufbau ermöglichen. An das Schneckenteil 20 schließt sich ein Schneckenteil 21 an, welches wiederum in Förderrichtung das Material zu Knetscheiben 22 weitergibt. Die Knetscheiben 22 haben insbesondere die Aufgabe, eine ausreichende Funktion zu ermöglichen, d. h. das zu homogenisierende Material wird zwischen den Rücken der Knetscheiben und der Zylinderinnenwand zu einer dünnen Schicht ausgestrichen.
Die Schneckenteile 23 üben überwiegend eine Förderfunktion aus, während die Zahnscheiben 24 eine Mischfunktion haben. Unter Zahnscheiben sind ringförmig ausgebildete Scheiben mit außen halbkreisförmig ausgefrästen Nuten zu verstehen.
Das Übergangsstück 25 ist konusförmig ausgebildet und ohne jede Profilierung.
In der Entgasungs- und Ausstoßzone C sind Uiiter der Entgasungsöffnung 11 mehrgängige Schneckenteile 26 mit Stegen 27 angeordnet. Ausgehend vom Übergangsring 25 reduziert sich der Kerndurchmesser K in der Plastifizier- und Homogenisierstufe auf den Kerndurchmesser ir in der Entgasungs- und Ausstoßstufe.
Gleichzeitig erweitert sich der Zylinderinnendurchmesser von c/in der Plastifizier- und Homogenisiersture auf D in der Entgasungs- und Ausstoßstufc.
Durch die vorerwähnten Maßnahmen wird in der Entgasungs- und Ausstoßstufe das freie volumcii um etwa das 1,5- bis 2,5fache vergrößert.
In Fig. 2 wird die Gangtiefe in der Plastifizier- und Homogenisierstufe mit 28 bezeichnet und mit 29 die Gangtiefe (F i g. 3} :.n der Entgasungs- und Ausstoßstufe 9.
An die mehrgängigen Schneckenteile 26 schließen sich die eingängigen Schneckenteile 30, die Zahnscheiben 31, die eingängigen Schneckenteile 32 sowie die Schneckenteile 33 mil breiten Stegen an. Von hier aus gelangt das Material in ein nicht gezeigtes Spriizwcrkzcug. beispielsweise einem Profilkopf für die Herstellung eines Fcnstcrrahnienprofils.
In einem praktischen Beispiel wurden ABS-Pulver in die Einspeiseöffnung 10 eingegeben und auf 2bO'C erhitzt. Gleichzeitig mit dem ABS-I'ulver wurde I — 2"/o Wasser in die Einfallöffnting 10 gegeben, welches in der Plastifiz.ier- und Homogenisierstufe auf über den Siedepunkt erhitzt wurde. Nachdem das Material die Zahnscheiben 24 passiert hatte und in die Entgasungs- und Ausstoßsiufe gefördert worden ist, erfolgte eine totale Druckentlastung auf 10—50 mbar absolut in dem mehrgängigen Schncckentcil 26 unter der Entgasungs-'öffnung U. Durch diese Druckentlastung schäumt das Material stark auf, die Blasen reißen auf und der Wasserdampf reißt die in der Schmelze befindlichen Monomere. Acrynitrate, Siyrol usw.. mit.
Bei einem Vergleichsversuch mit einem Doppelschneckenextruder mit gleichbleibendem Kern- und Außcndurchmesscr der Schnecke und des («chäuses sowohl in der Plastifizier· und llomogenisierstufe als auch in der Entgasungs- und Ausstoüstufe mit 90 mm Schneckendurchmesser wurde ein Ausstoß von 800 kg/h erreicht, jedoch konnte der Druck nicht unter JOO mbar absolut abgesenkt werden, ohne daß die Schneckengänge komplett gefüllt waren. Bei gleichbleibender maximaler Drehzahl mußte deshalb der Ausstoß auf 500 kg/h abgesenkt werden, damit der liir eine gute -, Entgasung notwendige absolute Druck von 20 mbar eingestellt werden konnte, ohne daß die Gänge überfüllt waren.
Mit einer erfindungsgemäßen Ausführung des Doppelschnecken-Entgasungsextruder mit einem Sehnck-
in kcndurehmesser von 90 mm in der l'laslifizier- und Homogcnisierstufe und einem Schneckendurchmesser von 97 mm und einem Kerndurchmesser von fv> mm in der Entgasungs- und Aussioßsiufe. konnte bei gleicher Drehzahl eine Aiisstoßleistung von 800 kg/h, bei einem
ι-, Druck von 20 mbar absolut, gefahren weiden, wobei trotz der hohen Leistung eine ausgezeichnete Entgasung erzielt wurde.
Es ergeben sich für die Steigerung der Ausstoßleistungen von 500 auf 800 kg/h für die Maschine mir
jo geringe Mehrkosten lur die in diesem iJereich vergrößerten .Schneckenteile.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Doppelschnecken-Entgasungsextruder fur thermoplastische Materialien, bei dem die Schnecken in kämmendem Eingriff stehen und selbstreinigend ausgeführt sind, mit einem Doppeischneckengehäuse mit einer Plastifizier- und Homogenisierstufe und einer Entgasungs- und Ausstoßstufe, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Schneckenkerndurchmesser in der Entga- i< > sungs- und Ausstoßstufe (9) gegenüber den Schnekkenkerndurchmessern in der Plastifizier- und Homogenisiersiufe(8) reduziert sind,
    und daß das Doppelschneckengehäuse in der Entgasungs- und Ausstoßstufe (9) jeweils einen ι τ erweiterten Innendurchmesser (D) gegenüber dem jeweiligen Innendurchmesser fc/jdes Doppelschnekkengehäuses in der Plastifizier- und Homogenisierstufe (8) aufweist.
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