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Verfahren und Vorrichtung zum Kneten, Homogenisieren und Mischen von pulverförmigen, festen oder teigigen Stoffen
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ändernder Umfangsgeschwindigkeit und sich dieser entsprechend ändernden Wärmetausch gegenüber Wär- me zu-oder abführenden Flächen dadurch verbessert wird, wenn die Stoffe stetig abnehmendem
Druck unter stetig zunehmender Umfangsgeschwindigkeit sowie Wärmeaufnahme und sodann stetig abnehmender Umfangsgeschwindigkeit, Wärmeabgabe und stetig zunehmendem Druck unterworfen werden, wobei im Bereich der grössten Umfangsgeschwindigkeit und des geringsten Druckes die in den aufzubereitenden Stoffen enthaltenen Gase abgezogen werden und dass dort denStoffen gegebenen- falls Beigaben, wie Farbstoffe, Gleitmittel, Stabilisatoren, beigemengt werden.
Bei den bekannten, insbesondere zum Mischen, Kneten, Mastizieren und Einfärben von Kunststoffen verwendeten Maschinen führte die Entwicklung zu immer grösseren und längeren Förderschnecken und bei den Schneckenstrangpressen auch zu höheren Drücken. Abgesehen von einem grösseren Platzbedarf dieser
Maschinen ergeben die dabei an der Schneckenspindel auftretenden hohen Axialdrucke wegen des not- wendigen Druckausgleichs in den Lagern stets einen beträchtlichen Aufwand an konstruktiven Mitteln. Die
Schneckenspindel und die zugehörigen langen Arbeitsräume sind ferner bei einem Produkt-oder Farb- wechsel nur schwer zu reinigen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zum Kneten, welche die an- geführten Nachteile vermeidet, besteht darin, dass eine in einem druckfesten Gehäuse drehbar gelagerte-
Scheibenschnecke vorgesehen ist, welche auf beiden Seiten spiralförmige, in einander entgegengesetzter
Richtung wirkende Schneckengänge besitzt, wobei im Gehäuse auf der einen Scheibenseite im Bereich ihrer Mitte eine Zuführungsöffnung und auf der andern Scheibenseite eine zentrale Austrittsöffnung angeordnet ist. In einer solchen Vorrichtung ist das Förderorgan in axialer Richtung weitgehend druckentlastet.
In der Zeichnung ist eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Vorrichtung im Schnitt dargestellt.
In einem mehrteiligen Gehäuse 1, 2,3 das im wesentlichen aus einer tellerförmigen Gehäusehälfte 1 mit einem Fortsatz für die Lagerung der Schnecke 4 und einer tellerförmigen Gehäusehälfte 2 mit einem zentralen Austrittsstutzen 3 besteht, ist eine Scheibenschnecke 4 drehbar gelagert. Die Scheibenschnecke weist eine Hohlwelle 4a auf, die mittels Rollenlager 5 im halsförmigen Teil der Gehäusehälfte 1 gelagert und auf beiden Seiten mit spiralförmigen Schneckengängen versehen ist. Die Scheibenschnecke besteht aus zwei miteinander verbundenen Hälften 4b, 4c. Der scheibenförmige Teil der Förderschnecke ist hohl ausgeführt, so dass ein wärmeübertragendes Medium durch die Hohlwelle bis in den Bereich des grössten inneren Scheibendurchmessers geleitet werden kann.
Zwischen der äusseren dem Gehäuse zugewendeten Fläche der Schneckengänge und der Innenfläche des Gehäuses ist nur ein enger Spalt vorgesehen, dessen Mass entweder überall gleich ist oder je nach den angestrebten Druckverhältnissen von innen nach aussen stetig oder sich stufenweise ändernd kleiner oder grösser werden kann. Die Scheibenschnecke wird am freien Ende ihrer Hohlwelle 4a von nicht dargestellten Einrichtungen angetrieben. In der dargestellten Lage werden die aufzubereitenden Stoffe durch die trichterförmige Öffnung 6 im Gehäuse 1 der Oberseite 4b der Scheibenschnecke in der Nähe der Drehachse zugeführt. Bei einer Drehung der Schnecke werden die Stoffe durch die Schneckengänge nach aussen gefördert.
Unter Berücksichtigung kontinuierlicher Zuführung der Stoffe bewegt sich das unter gleichzeitigem Mischen und Kneten geförderte Gut um den äusseren Scheibenrand herum und setzt unter dem Druck der jeweils nachfolgenden Masse seine Bewegung auf der Unterseite 4c der Scheibe fort. Der äussere Schneckenrand kann glatt sein oder ebenfalls wenn auch weniger tiefe Schneckengänge erhalten. Der Steigungssinn der Schneckengänge auf der Unterseite 4c ist so gewählt, dass bei gleichbleibendem Drehsinn der Scheibe nunmehr eine Förderung von aussen nach innen erfolgt. Die aufbereiteten Stoffe treten dann etwa in der Scheibenmitte aus den Schneckengängen heraus und werden durch die im Teil 3 des Gehäuses angeordnete vorzugsweise düsenartige Öffnung 7 ausgeschoben. In diese Öffnung sind Lochscheiben 8 eingesetzt.
Die Öffnung an der Mündung ist mittels einer mit Öffnungen versehenen Platte 9 teilweise verschlossen, um die aufbereiteten Stoffe mit bestimmter Formgebung und gegebenenfalls unter Hinzufügung weiterer apparativer Mittel zu konfektionieren. Nach der Entfernung des deckelförmigen Gehäuseteiles 2 lässt sich bei geeigneter Antriebsgestaltung am freien Ende der Hohlwelle 4a die Scheibenschnecke 4 aus dem Gehäuse herausziehen.
Die Arbeitsräume der Vorrichtung sind dann bequem zu reinigen.
Je nach dem Ziel des Aufbereitungsverfahrens, der mittels der Scheibenschnecke jeweils aufgewendeten Misch- und Knetleistung sowie den spezifischen Eigenschaften der aufzubereitenden Stoffe, wird man aus dem behandelten Gut Wärme ausreichend schnell abführen oder diesem in andern Fällen Wärme zusätzlich zuführen müssen. Neben dem üblichen Wärmetausch durch die Aussenwand des Gehäuses, der hier nicht näher beschrieben werden soll, leitet man dazu einen flüssigen, dampfförmigen oder gasför-
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migen Wärmeträger in die Scheibenschnecke ein. Zu diesem Zweck werden im Inneren der Scheiben- schnecke, z. B. durch Trennscheiben oder Leitbleche 10, 11 und in der Hohlwelle 4a durch ein einge- setztes konzentrisches Rohr 12 Kanäle geschaffen, die dem wärmeübertragenden Medium einen bestimm- ten Weg vorschreiben.
In der Zeichnung ist der Betriebsfall einer Kühlung der nach dem neuen Verfahren aufzubereitenden
Stoffe dargestellt. Die Kühlflüssigkeit läuft durch den äusseren ringförmigen Raum der Hohlwelle zunächst dem oberen Hohlraum 13 der Scheibenschnecke zu. Sie kühlt dabei die Schneckenlager 5 und die Ein- laufzone in der Nähe des Trichters 6. Die Kühlflüssigkeit nimmt dann den Weg bis in die äussere Randzo- ne des Hohlraumes der Scheibenschnecke, fliesst unterhalb der Leitbleche 10,11 zur Achsmitte zurück und tritt durch das Rohr 12 wieder aus der Hohlwelle 4a aus. Muss den aufzubereitenden Stoffen Wärme zugeführt werden, z.
B. bei einer Verwendung der Anordnung als Strangpresse für thermoplastische Mas- sen, so wird das jeweils wärmetragende Medium durch das Rohr 12 eingeführt, bewegt sich im Gegen- strom zur Förderrichtung des Thermoplasten zunächst mit hoher Temperatur am Allsschiebeort bei der Öffnung 7 vorbei und tritt nach der Vorwärmung der Einführungszone der Scheibenschnecke in der Nähe des Trichters 6 durch den äusseren ringförmigen Kanal wieder aus der Hohlwelle aus.
Wird die beschriebene Anordnung bei der Aufbereitung von Thermoplasten ohne Heiz- oder Kühl- mittel betrieben, so fliesst die durch die eingesetzte Arbeit entstehende Knet- bzw. Reibungswärme von der Unterseite 4c der Scheibenschnecke in den oberen Teil 4b und hilft dort die thermoplastische Masse vorzuwärmen.
Für die aufzubereitenden Stoffe ergeben sich in der Vorrichtung auf dem Wege von der Einführungs- öffnung 6 bis zur Ausstossöffnung 7 verfahrensmässig folgende Zustandsänderungen : Bei gleichbleibender Steigung der spiralförmigen Schneckengänge und bei gleichbleibender Tiefe der Schneckenprofile vergrössern sich die Volumen der beidseitigen Misch- und Kneträume im Quadrat der Radien ihrer konzentrisch ineinanderliegenden Gesamtscherflächen. Der hinter der Eintrittsöffnung 6 in den Schneckengängen festgestellte Druck nimmt auf dem weiteren nach aussen führenden Behandlungsweg in etwa entsprechendem Umfang ab. Diese Druckabnahme ist beträchtlich und fördert die Entgasung der behandelten Stoffe wesentlich.
In der Nähe der Randzone der Scheibenschnecke weist das Gehäuse ein oder mehrere Bohrungen 14 auf, durch die die aus den gekneteten Stoffen entweichenden Gase abgezogen werden. Die Bohrungen 14 können durch eine in der inneren Wandung des Gehäuses verlaufende Nut 15 untereinander verbunden sein, die sich beispielsweise über den ganzen Umfang erstreckt.
Bei den beschriebenen Durchlaufverhältnissen ist es nicht unbedingt erforderlich, die Entgasung der Stoffe in der Nähe des grössten Umfanges der Scheibenschnecke durch die Anwendung einer an die Bohrungen 14 angeschlossenen Vakuumpumpe zu beschleunigen. Die Entgasung erfolgt unter den gegebenen Bedingungen dann besonders vollkommen, wenn die Durchtrittsstelle am äusseren Rand der Scheibenschnek- ke verengt ist und die Stoffe diese Stelle filmartig dünn passieren.
Der Wärmetausch der Stoffe mit den Grenzflächen kann auf der Oberseite der Scheibenschnecken von innen nach aussen ebenfalls mit etwa dem Quadrat des Abstandes von der Achse zunehmen und lässt sich daher auf dem Behandlungsweg ohne Schwierigkeiten in grösserem Umfang als nach bisher bekannten Aufbereitungsverfahren und Mitteln veränderbar gestalten. Nach der Förderung der behandelten Stoffe um den äusseren Scheibenrand treten Zustandsänderungen der aufzubereitenden Stoffe in umgekehrter Weise in etwa der gleichen Grössenordnung wie in den Schneckengängen der Scheibenoberseite ein.
Bei der Aufbereitung von thermoplastischen Kunststoffen muss man zuweilen geeignete Stabilisatoren und bzw. oder Gleitmittel in die jeweiligen Rohstoffe einbringen oder die Rohstoffe sind bei der Aufbereitung zu färben. Derartige Zusätze bzw. Farbpigmente werden besonders schnell aufgenommen und homogen in der den Behandlungsweg durchlaufenden Masse aufgeschlossen, wenn man sie etwa im Bereich der grössten Umfangsgeschwindigkeit bzw. des geringsten Druckes in den Behandlungsraum einbringt.
Die dem zu behandelnden Gut zuzuführende sich in weitem Umfang ändernde Misch- und Knetleistung sowie der beschriebene steile Druckabbau und Wiederaufbau lässt sich durch die Wahl der Spaltbreite zwischen dem Profil des Schneckenganges und der Gehäusewandung durch kleinere oder grössere Spaltbreiten am äusseren Rand der Scheibe 4b, 4c, ferner durch Steigungsänderungen des Schneckenganges auf
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durch graduell unterschiedliche Anwendung kleiner oder grosser Spaltbreiten sowie unterschiedlich steigender Schneckengänge die Durchlaufverhältnisse des Normalfalles sowohl verkleinern als auch nochmals steigern.
Nach dem beschriebenen Verfahren lassen sich Kunststoffe bei relativ niederen Temperaturen kneten
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und mastizieren, wobei sehr hohe spezifische Knetenergien in die Kunststoffe eingebracht werden. Das
Verfahren hat sich besonders bei der Verbesserung oder Vergütung von Polyäthylen bewährt. Es wurde ferner festgestellt, dass schlagzähes Polystyrol bei Anwendung des Verfahrens seine mechanischen Eigenschaften wesentlich verbessert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Kneten, Homogenisieren und Mischen von pulverförmigen, festen oder teigigen Stoffen, insbesondere von thermoplastischen Kunststoffen, mittels eines in einem Gehäuse drehbar gelagerten Förderorgans unter Zuführung bzw. Abführung von Wärme bei sich ändernder Umfangsgeschwin digkeit und sich dieser entsprechend änderndem Wärmetausch gegenüber Wärme zu-oder abführenden Flächen, dadurch gekennzeichnet, dass die Stoffe stetig abnehmendem Druck unter stetig zunehmender Umfangsgeschwindigkeit sowie Wärmeaufnahme und sodann stetig abnehmender Umfangsgeschwindigkeit, Wärmeabgabe und stetig zunehmendem Druck unterworfen werden, wobei im Bereich der grössten Um, fangsgeschwindigkeit und des geringsten Druckes die in den aufzubereitenden Stoffen enthaltenen Gase abgezogen werden,
und dass dort den Stoffen gegebenenfalls Beigaben, wie Farbstoffe, Gleitmittel, Stabilisatoren, beigemengt werden.