AT515952A1 - Aufschmelz- und Injektionsvorrichtung für Kunststoffe - Google Patents

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AT515952A1 ATA485/2014A AT4852014A AT515952A1 AT 515952 A1 AT515952 A1 AT 515952A1 AT 4852014 A AT4852014 A AT 4852014A AT 515952 A1 AT515952 A1 AT 515952A1
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Abstract

Anordnung (1) zum Aufschmelzen von mindestens einem festen Vorprodukt zur Polymerherstellung, mit: einem Gehäuse (2) zur Aufnahme des festen Vorprodukts über eine Öffnung mindestens einer im Gehäuse (2) angeordneten Aufschmelzvorrichtung (4), die so angeordnet ist, dass ihr das feste Vorprodukt zum Aufschmelzen zuführbar ist, mindestens einer mit einer Öffnung des Gehäuses (2) verbundene - vorzugsweise schaltbare-Ablassvorrichtung {5), die mit einer Injektionseinheit (6) verbindbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Aufschmelzen vonmindestens einem festen Vorprodukt zur Polymerherstellung mit den Merkmalen desOberbegriffs des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Herstellung eines polymerenFormteiles aus wenigstens zwei verschiedenen festen Vorprodukten.
Die Erfindung befasst sich mit der Thematik des Aufschmelzens von Monomeren,Präpolymeren oder polymeren Vorprodukten zur nachfolgenden reaktivenVerarbeitung.
Als Stand der Technik können für das Aufschmelzen von festen Vorprodukten inForm reaktiver Komponenten und nachfolgende Reaktivverarbeitung verschiedensteAnsätze als bekannt vorausgesetzt werden. Im Falle von Lactamen, insbesondere ε-Caprolactam und der nachfolgenden Polymerisation zu Polyamid 6, ist dies in ersterLinie im Kontext der nachfolgenden Verarbeitungsschritte zu sehen:
Bekannt ist die Verarbeitung von additivierten Caprolactam-basierten Schmelzen inReaktivanlagen im Rahmen des Harzinjektionsverfahrens, wobei das Aufschmelzenoder Aufheizen der Vorprodukte in gerührten, meist druckbeaufschlagten oderevakuierten Kesseln geschieht. Die Komponenten werden hierbei über Pumpen¬oder Doppelkolbensysteme im Kreislauf geführt. Die Vereinigung mehrerer reaktiverKomponenten erfolgt in einem Mischelement aus welchem die reaktive Mischung ineine offene oder geschlossene Form ausgetragen wird.
Weiters ist im Rahmen der Herstellung von Gusspolyamid die diskontinuierlicheDarstellung von Bauteilen bzw. Blöcken auf Polyamidbasis bekannt. Hierbei werdenüblicherweise die nicht additivierten Monomere aufgeschmolzen und überSchmelzetemperatur unter Ausschluss von Feuchtigkeit in entsprechenddimensionierten Behältnissen gelagert und erst vor der Verwendung additiviert.
Eine weitere Möglichkeit zum Aufschmelzen und folgender Verarbeitung reaktiverKomponenten, insbesondere für ε-Caprolactam oder Laurinlactam, stellt wie inEP 2 572 851 A1 beschrieben die Schubschneckenplastifizierung dar, wobei derAufschmelz- und Injektionsvorgang der jeweiligen reaktiven Komponente in einerfunktionellen Einheit durchgeführt werden.
Insbesondere für niederviskose Substanzen kann in diesem Kontext mitAbdichtungen auf der Basis von Polymeren gearbeitet werden (EP 2 454 075 B1).Dem Aufheiz- und Schmelzprozess liegen hierbei sowohl Schereinwirkung als auchThermodiffusion zu Grunde.
Vergleichbar hierzu sind kolbenbasierte Systeme bekannt, in erster Linie für nichtreaktive Systeme, bei welchen die aufzuschmelzenden Substanzen unterDruckbeaufschlagung über verschiedenartigste Scher- und Mischteile gepresstwerden und somit der Energieeintrag bei hochviskosen Massen maximiert wird. AlsBeispiel sei hier die DE10 2006 038 804 B3 angeführt.
Wie bereits in der DE 194 29 92 angeführt, sind weiters auch kolbenbasierteSysteme bekannt, bei welchen die vorgeheizten reaktiven Komponenten bereits ineinem einzelnen Kolben vermischt und erst nach Einsetzen der Reaktionausgetragen werden, um durch die höhere Viskosität der reaktiven Mischung dasAbdichten während des Verfahrens des Injektionskolbens zu vereinfachen.Insbesondere für sehr voluminöse Bauteile wie etwa Rotorblätter von Windrädern hatsich die Vakuuminfusion mit bevorzugt duroplastischen Harzsystemen etabliert,entsprechende Ansätze auf Basis niedrigviskoser Vorstoffe thermoplastischerPolymere wie ε-Caprolactam wurden in Composites: Part A 38 (2007) 666-681beschrieben.
Nachteile des Standes der Technik:
Bei gängigen Reaktivanlagen zur Verarbeitung von reaktiven Komponenten werdenverflüssigte, niedrigviskose additivierte Komponenten kontinuierlich beheizt und unterhohem Druck im Kreislauf geführt, was mit erheblichem Energieverbraucheinhergeht. Weiters werden die Komponenten durch die periodische Entnahmeeinzelner Aliquote zur Bauteilherstellung und Zuführung neuer Komponenten einererheblichen Verweilzeitstreuung unterworfen, was sich nachteilig auf die Stabilität dereinzelnen Komponenten oder Additive auswirken kann. Insbesondere die zurHerstellung von Polyamiden durch anionische Polymerisation verwendeten Additivekönnen durch vorzeitige Autopolymerisation geschädigt bzw. desaktiviert werden.
Insbesondere wird ein wesentlich größeres Schmelzevolumen durchgehend beheiztund über Schmelzetemperatur gehalten, als zum jeweiligen Zeitpunkt zurVerarbeitung notwendig ist.
Bei schubschneckenbasierten Systemen, welche zum Aufschmelzen und Dosierenentsprechender reaktiver Komponenten verwendet werden können, kommt es andersals bei der Verwendung von auf Schmelzespeichern beruhenden Konzepten zuvernachlässigbarer Verweilzeitstreuung. Durch die Durchführung des Aufschmelz-und Injektionsvorgang in einer funktionellen Einheit ist als Schwachpunkt allerdingsdie benötigte Rückstromsperre zu sehen, welche verhindert, dass bei Druckaufbausowie der Injektion aufgeschmolzenes Material zurück in den Aufschmelzbereichgedrückt wird. Insbesondere bei niederviskosen Systemen ist hierbei die dauerhafteAbdichtung und Reproduzierbarkeit sehr problematisch. Ferner ist der Energieeintragdurch Scherwirkung bei niederviskosen Systemen vernachlässigbar.
Die gemeinsame Injektion der reaktiven Komponenten nach vorherigem Vermischenin einem Injektionskolben ist vor allem in Bezug auf die Reproduzierbarkeit undmögliche Ablagerungen im verwendeten Injektionskolben als nachteilig anzusehen.Ferner ist dieses Prinzip bei aufwändigeren Formgeometrien und längerenFließwegen a priori nicht wirtschaftlich applizierbar, da es zu einer Aushärtung vorvollständiger Füllung der Bauteilkavität kommen würde. Zusätzlich wird durch dieInjektion einer bereits höherviskosen Mischung die Infiltration textilerVerstärkungselemente wie z.B. eines Faserhalbzeuges oder Preformlings starkerschwert.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer gattungsgemäßen Anordnung undeiner Vorrichtung zur Herstellung eines polymeren Formteiles aus wenigstens zweiverschiedenen festen Vorprodukten, bei welchen die oben diskutierten Problemenicht oder zumindest nur in einem verringerten Ausmaß auftreten.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 undeine Vorrichtung zur Herstellung eines polymeren Formteiles aus wenigstens zweiverschiedenen festen Vorprodukten mit wenigstens zwei solcher Anordnungengelöst.
Die Erfindung ermöglicht ein zweistufiges Verfahren, bei welchem der Aufschmelz-und Injektionsvorgang reaktiver Komponenten in verschiedenen Anlagenelementenrealisierbar ist. Der Aufschmelzvorgang wird vorzugsweise in einer dafürvorgesehenen, ggf. inertisierten oder evakuierten, bevorzugt mit zylindrischausgeführtem Gehäuse ausgebildeten Anordnung zum Aufschmelzen durchgeführt.Der Injektionsvorgang in die Kavität eines Formgebungswerkzeuges einerFormgebungsmaschine wird durch eine davon getrennte Injektionseinheit realisiert.
Anders als bei einer gängigen im Rezirkulationsbetrieb arbeitenden Reaktivanlage,bei welcher aufgeschmolzenes Material für mehrere Bauteile im Tagesbehälter beierhöhter Temperatur gehalten und im Kreislauf gepumpt wird, wird durch dieErfindung sicher gestellt, dass nur jene Mengen aufgeschmolzen werden, welcheauch zur anschließenden Verarbeitung genutzt werden, womit einer unnötigenthermischen Belastung der reaktiven Komponenten über einen längeren Zeitraumbzw. einer unkontrollierbaren Verweilzeitstreuung entgegengewirkt werden kann.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchendefiniert.
Bei der Erfindung werden die pulver-, schuppen- oder pastillenförmigenAusgangsrohstoffe (feste Vorprodukte) bevorzugt von oben oder seitlich mittelsmindestens einer Zuführeinheit auf die Aufschmelzvorrichtung geführt. DiesesAufschmelzelement ist bevorzugt kegelförmig ausgeführt und wird zum Beispiel miteiner Temperatur, welche zumindest 5°C über dem Schmelzpunkt deraufzuschmelzenden Komponenten liegt, betrieben.
Beim Auftreffen des festen Vorproduktes auf der Oberfläche derAufschmelzvorrichtung wird dieses aufgeschmolzen und sammelt sich ingeschmolzener Form in einer unterhalb liegenden, bevorzugt beheizten Sammelzone(zum Beispiel Schmelzebecken). Eine möglichst enge Passung (0,05 - 2 oder 5 mm)zwischen Aufschmelzvorrichtung und dem Gehäuse stellt sicher, dass keineFeststoffe in die darunter liegende Sammelzone gelangen können.
Ist genügend aufgeschmolzenes Material in der Sammelzone vorhanden, so kanndie Ablassvorrichtung geöffnet werden, wodurch das aufgeschmolzene Material zuder Injektionseinheit gelangt und diese befüllt. Nach Befüllen der Injektionseinheit (imFalle einer Kolbeninjektionseinheit des Kolbenvorraumes) wird die Ablassvorrichtungverschlossen und eine Injektion (zum Beispiel durch Kolbenbewegung) inInjektionsrichtung ermöglicht. Durch entsprechende konstruktive Auslegung derSammelzone lässt sich auf diese Weise eine große Bandbreite an Injektionsvoluminaabdecken.
Die Zuführung des festen Vorprodukts durch die Zuführeinheit kann beispielsweisemittels Schnecke, Spirale, Pumpe, Förderband oder Vakuumsaugfördergeräterfolgen, optional unterstützt durch Austragshilfen wie Vibrationsaustrag durch eineRüttelrinne, einen Schwingboden, oder dgl.
Die Zuführeinheit kann von der Aufschmelzvorrichtung durch eine Trennvorrichtung,zum Beispiel durch eine Zellenradschleuse, eine Klappe, Membran oderSinterscheibe konstruktiv getrennt sein.
Die Zuführung des festen Vorprodukts kann gravimetrisch oder volumetrischerfolgen.
Es kann zumindest eine von der mindestens einen Aufheizvorrichtung gesonderteVorrichtung zur Temperierung des Gehäuses vorgesehen sein. Die Vorrichtung zurTemperierung kann als Heizband-, Manteltemperierung, induktive Beheizung,resistive Beheizung oder dgl. ausgebildet sein.
Die Aufschmelzvorrichtung ist bevorzugt zentral im Gehäuse angeordnet, undbevorzugt kegel- oder pyramidenförmig, nach oben hin verjüngend ausgebildet.Bevorzugt ist die Aufschmelzvorrichtung verstellbar im Gehäuse angeordnet (zumBeispiel höhen- und/oder axial und/oder radial verstellbar).
Die Aufschmelzvorrichtung kann zum Beispiel aus Metall oder Keramik ausgeführtsein.
Bevorzugt ist die Aufschmelzvorrichtung konstruktiv derart ausgeführt, dass das festeVorprodukt seitlich oder von oben auf eine beheizte, zur Horizontalen geneigteFläche aufgegeben wird. Bevorzugt ist neben anderen Formen eine Kegelform, aberauch eine geneigte Platte ist denkbar (besser zu reinigen aber weniger Oberfläche).
Die Temperierung der Aufschmelzvorrichtung erfolgt bevorzugt durch eineInnentemperierung. Vom Temperaturbereich her ist die Temperierung an dieaufzuschmelzende(n) Komponente(n) anzupassen und wird meist in einem Bereichvon 70 - 250° C liegen.
Die Ablassvorrichtung kann als aktiv betätigbares Ablassventil (oder Hahn, oderKlappe, Schleuse, Pumpenanschluss, Schieber) ausgebildet sein. Die Betätigung derAblassvorrichtung kann elektrisch, pneumatisch, hydraulisch, piezoelektrisch odermagnetisch erfolgen
Ist eine Druckregulierungsvorrichtung vorgesehen, kann das Druckniveau wenigstensim Bereich der mindestens einen Aufschmelzvorrichtung und/oder Zuführeinheitdurch Anlegen von Unter- (Vakuum) oder Überdruck zum Beispiel zwischen 0,01 und10 bar, im speziellen zwischen 0,2 und 1,5 bar variiert werden.
Es kann eine Vorrichtung zur Einbringung eines Schutzgases (zum Beispiel N2, Ar,synthetische oder getrocknete Luft) in das Gehäuse vorgesehen sein.
Es kann ein Füllstandsensor vorgesehen sein (für das feste Vorprodukt und/oder dieSchmelze). Die Füllstandsmessung kann sowohl oberhalb der Aufschmelzvorrichtungals auch im Bereich der Sammelzone oder einem Bypassrohr erfolgen. DieFüllstandsmessung kann durch kapazitive-, resistive-, konduktive-, radiometrische-,induktive, vibronische-, gravimetrische- oder schallwellenbasierte Messprinzipienerfolgen.
In der Sammelzone kann eine Rühr- und/oder Mischvorrichtung zur Unterstützungder Homogenisierung angebracht sein, evtl, integriert in ein ebenfalls optionalrotierendes Gehäuse.
Es können Maßnahmen zur Temperaturhomogenisierung mittels Wärmetäuscherzwischen der Anordnung und der Injektionseinheit erfolgen und/oder statischeMischteile vorgesehen sein.
Es kann eine Einbringvorrichtung zur Einbringung flüssiger oder fester Additiveunterhalb der Aufschmelzvorrichtung vorgesehen sein.
Beim Aufschmelzen von mehreren Komponenten in entsprechenden Anordnungenkönnen die Volumenströme vor Eintrag in die Kavität des Formgebungswerkzeugs ineinem separatem Mischkopf/Mischelement oder in einer eigenen demFormgebungswerkzeug zurechenbaren Kavität vermischt/homogenisiert werden.
Als feste Vorprodukte zur Polymerherstellung werden bevorzugt addivierteMischungen von ε-Caprolactam oder Laurinlactam, Vorprodukte vonthermoplastischen Epoxidharzen oder vernetzenden Silikonen verwendet.
Die festen Vorprodukte können Additive enthalten, insbesondere zur Initiierung undBeschleunigung der Reaktion, Regulierung der Kettenlänge sowie desVerzweigungsgrades, Stabilisierung der erhaltenen Polymeren oder vernetztenEndprodukte (UV-Schutz, Flammschutz, Antioxidantien), funktionellen Additive,Farben und Chromophore, Füllstoffe, Kristallisationshilfsmittel undNukleierungsmittel, Modifikatoren zur Verbesserung mechanischer Eigenschafteninsbesondere der Schlagzähigkeit, Coupling Agents zur Unterstützung einermöglichen Faser/Matrix Anbindung, Entfernung störender Feuchtigkeit oder andererniedermolekularer Stoffe, Entformungshilfsmittel.
Es kann eine Einbringung einer textilen Verstärkung oder allgemein separatesEinbringen von Fasern und/oder Füllstoffen in eine oder mehrere Kavitäten desFormgebungswerkzeugs erfolgen.
Die Injektion der einzelnen aufgeschmolzenen Vorprodukte kann mit konstantemVolumenstrom, konstantem Druck, vorgegebenem Druck- oder Volumsprofil, oderintermittierend erfolgen.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der Figuren 1 bis 4 fürverschiedene Ausführungsbeispiele diskutiert.
Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel mit einer Anordnung 1, die ein Gehäuse2 aufweist, in welchem eine Aufschmelzvorrichtung 4 angeordnet ist, der über eineZuführeinheit 3 (hier Schneckenförderer) ein festes Vorprodukt zuführbar ist. DieAufschmelzvorrichtung 4 ist hier konisch (kegelförmig) ausgeführt und weist eineinterne Temperierung auf. Zusätzlich ist eine Heizvorrichtung 13 zum Heizen derWände des Gehäuses 2 vorgesehen. Das geschmolzene Material sammelt sichunterhalb der Aufschmelzvorrichtung 4 in einer Sammelzone 8, von wo es durch eineschaltbare Ablassvorrichtung 5 ablassbar ist. Es ist ein Füllstandsensor 7vorgesehen. Weiters sind eine Vorrichtung 9 zur Einbringung eines Schutzgases undeine Druckregulierungsvorrichtung 12 gezeigt.
In der Variante der Figur 2 ist der Füllstandsensor 7 als Schwinggabel ausgebildet.Der Doppelpfeil deutet die Höhenverstellbarkeit der hier als geneigte Platteausgebildeten Aufschmelzvorrichtung 4 an. Es sind eine Abstreifvorrichtung 14vorgesehen und ein Schieber 10.
Die Figur 3 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung eines polymeren Formteiles auswenigstens zwei verschiedenen festen Vorprodukten mit wenigstens zweiAnordnungen 1 gemäß der Figur 1. Die Schmelzen werden in eine Kavität einesgemeinsamen Formgebungswerkzeuges 11 eingebracht.
Die Figur 4 zeigt dasselbe wie die Figur 3 aber mit Anordnungen, die imWesentlichen der Figur 2 entsprechen. Hier ist aber als Zuführeinheit 3 eineSaugförderung mit einem Vorratsbehälter 15 vorgesehen und es ist eineTrennvorrichtung 16 zwischen Zuführeinheit 3 und Aufschmelzvorrichtung 4 in Formeiner Zellenradschleuse gezeigt.

Claims (17)

  1. Patentansprüche: 1. Anordnung (1) zum Aufschmelzen von mindestens einem festen Vorproduktzur Polymerherstellung, gekennzeichnet durch: - ein Gehäuse (2) zur Aufnahme des festen Vorprodukts über eineÖffnung - mindestens eine im Gehäuse (2) angeordnete Aufschmelzvorrichtung (4),die so angeordnet ist, dass ihr das feste Vorprodukt zum Aufschmelzenzuführbar ist, - mindestens eine mit einer Öffnung des Gehäuses (2) verbundene -vorzugsweise schaltbare - Ablassvorrichtung (5), die mit einerInjektionseinheit (6) verbindbar ist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei mindestens eine mit der Öffnung desGehäuses (2) verbundene Zuführeinheit (3) für das feste Vorproduktvorgesehen ist.
  3. 3. Anordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zuführeinheit (3) von dermindestens einen Aufschmelzvorrichtung (4) durch eine Trennvorrichtunggetrennt ist.
  4. 4. Anordnung (1) nach wenigstens einen der Ansprüche 1 bis 3, wobeimindestens eine zur Temperierung des Gehäuses (2) von der mindestenseinen Aufschmelzvorrichtung (4) gesonderte Temperiervorrichtung (13),bevorzugt Heizvorrichtung, vorgesehen ist.
  5. 5. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei diemindestens eine Aufschmelzvorrichtung (4) mit einer sich in Richtung derÖffnung der Zuführeinheit (3) verjüngenden Form - vorzugsweise kegel- oderpyramidenförmig - ausgebildet ist.
  6. 6. Anordnung (1) nach Anspruch 5, wobei die Aufschmelzvorrichtung (4) am derAblassvorrichtung (5) zugewandten Ende so im Gehäuse (2) angeordnet ist,dass ein so auf das feste Vorprodukt angepasster Spalt zwischen Aufschmelzvorrichtung (4) und Gehäuse (2) verbleibt, dass eine Passage desVorprodukts in fester Form verhindert wird.
  7. 7. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eineDruckregulierungsvorrichtung (12) vorgesehen ist, durch welche wenigstens indem Gehäuse (2) und/oder in der mindestens einen Zuführeinheit (3) einÜber- oder Unterdrück erzeugbar ist.
  8. 8. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei imGehäuse (2) eine unterhalb der Aufschmelzvorrichtung (4) angeordneteSammelzone (8) zur Aufnahme von aufgeschmolzenem Vorproduktangeordnet ist, wobei jene Öffnung im Gehäuse (2), mit welcher dieAblassvorrichtung (5) verbunden ist, im Bereich der Sammelzone (8)angeordnet ist.
  9. 9. Anordnung (1) nach Anspruch 8, wobei ein Füllstandsensor (7) vorgesehenist, durch welchen die Menge an aufgeschmolzenem Vorprodukt in derSammelzone (8) erfassbar ist.
  10. 10. Anordnung (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei in der Sammelzone (8) eineRühr- und/oder Mischvorrichtung angeordnet ist.
  11. 11 .Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei dasGehäuse (2) mit einer Vorrichtung (9) zur Einbringung eines Schutzgasesverbunden ist.
  12. 12. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei diemindestens eine Aufschmelzvorrichtung (4) verstellbar im Gehäuse (2)angeordnet ist.
  13. 13. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei einentlang einer Oberfläche der mindestens einen Aufschmelzvorrichtung (4)verschiebbarer Schieber (10) vorgesehen ist.
  14. 14. Anordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei diemindestens eine Ablassvorrichtung (5) mit wenigstens einerInjektionsvorrichtung (6) - vorzugsweise einer Kolbeninjektionsvorrichtung -verbunden ist.
  15. 15. Anordnung (1) nach Anspruch 14, wobei die Injektionsvorrichtung (6) miteinem Formgebungswerkzeug (11) verbunden ist.
  16. 16. Anordnung (1) nach Anspruch 15, wobei das Volumen der Sammelzone (8)kleiner als das Volumen der 10-fachen - bevorzugt kleiner als das Volumender 3-fachen - Menge der zum Füllen des Formgebungswerkzeugs (11)notwendigen Materials ausgebildet ist.
  17. 17. Vorrichtung zur Herstellung eines polymeren Formteiles aus wenigstens zweiverschiedenen festen Vorprodukten, wobei für zumindest zwei der wenigstenszwei verschiedenen festen Vorprodukten zum Aufschmelzen je eineAnordnung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 16 vorgesehen istund die aufgeschmolzenen Vorprodukte einem gemeinsamenFormgebungswerkzeug (11) zuführbar sind.
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