DD260467A1 - Verfahren und vorrichtung zur intensivierung des compoundierprozesses auf extrudern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung dient zur Intensivierung des Compoundierprozesses polymerer Verarbeitungsgueter mit Zusatzstoffen auf Extrudern. Es ist Ziel und Aufgabe der Erfindung, mit relativ niedrigem oekonomischen Aufwand geringe Konzentrationsschwankungen der Zusatzstoffe im fertigen Produkt durch einen zeitlich, oertlich und raeumlich gleichmaessigen Prozessablauf bei der Zusammenfuehrung der einzelnen Komponenten zu erreichen. Das erfindungsgemaesse Verfahren und die Vorrichtung zu dessen Durchfuehrung besteht in der Abzweigung eines Teilstromes des schmelzefluessigen Matrixstromes aus dem Extruder vor einer Drosselstelle der Schnecke und dessen Zufuehrung in eine Vormischvorrichtung, wo separat zudosierter Zusatzstoff zugeleitet und mit ihm diesen benetzend sowie sich mit ihm vermischend vereinigt wird. Das Gemisch wird dem Hauptstrom der Matrix hinter der Drosselstelle im Extruder, gegebenenfalls unter Erhoehung des Druckes wieder zugefuehrt. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Intensivierung des Compoundierprozesses plastizierfähiger Verarbeitungsgüter, insbesondere Polymerer, mit Zusatzstoffen, insbesondere in pulverförmiger Form, auf Ein- und Mehrschneckenextrudern.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zum Compoundieren plastizierfähiger Verarbeitungsgüter, insbesondere polymerer Stoffe, mit Zusatzstoffen, insbesondere pulverförmiger Art, auf Ein-und Mehrschneckenextrudem wird meistens als sogenannte Seiteneinspeiseverfahren angewendet, bei dem mittels einer geeigneten Dosiervorrichtung die Zusatzkomponente über eine Zylinderöffnung in die Matrix (Hauptkomponehte) eingespeist wird. Letztere sollte bei Polymeren möglichst in weitestgehend aufgeschmolzener Form vorliegen, damit beim Zusammentreffen des pulverförmigen Zusatzstoffes und der polymeren Matrixkomponente eine gleichmäßige Benetzung ersteres mit der Polymerschmelze und damit gute Primärverteilung der Zusatzkomponente in der Matrix erreicht wird. Das besagte Zusammentreffen der Komponenten ist jedoch infolge der Art und Weise ihrer Einspeisung in die Kopplungszone — weitestgehend gleichmäßige Schmelzeförderung durch die Extruderschnecke einerseits und höchst ungleichmäßige Förderung der Pulverkomponente durch gravimetrisches Zurieseln des Materials aus dem gewählten Förderorgan, selbst bei genauer Massedosierung, andererseits — mit oft recht hohen Fluktuationen behaftet. Die Folge dessen ist eine ungleichmäßige Primärverteilung der Zusatzkomponente (disperse Phase) in der Matrixkomponente (Dispersionsmittel), die sich über dem bis zum Austrag des Compounds aus dem Extruder verbleibenden Schneckenzylinderabschnitt (Homogenisier-und Austragszone) nur ungenügend korrigieren läßt.

Die besagten Fluktuationen der jeweils erstmalig zusammentreffenden Komponentenmengen können auch dadurch Zustandekommen, daß die bei begrenzter Größe des die Zusatzkomponenten — Dosiereinrichtung mit dem Extruder verbindenden Schachtes, sogenannter Kopplungsschacht, mit der pulverförmigen Komponente eingeschleppte Luft nicht in ausreichenden Mengen entweichen kann. In diesem Fall kommt es zu sich wiederholenden Luftstaus, die sich in stoßartigen, eruptiven Pulver-Luft-Ausbrüchen aus dem Kopplungsschacht entladen. Besonders gravierend ist die letztgenan te Erscheinung bei der Verarbeitung beschichteter mineralischer Zusatzstoffe, wiez. B. stearinbeschichteter Kreide. Das Haufwerk derartiger pulverförmiger Stoffe ist relativ locker; die einzelnen Teilchen sind mit Luft umgeben, wodurch zwar einerseits die den Dispergierprozeß erschwerende Agglomerierung und insbesondere Aggregierung der Primärteilchen vermieden wird und eine gleichmäßigere Dosierung gegeben ist, aber andererseits eben die beschriebenen Probleme beim Einspeisen in den Extruder entstehen.

Man versucht den Problemen dadurch zu begegnen, daß man die Fördergleichmäßigkeit der Dosiereinrichtung, vor allem hinsichtlich der pro infinitesimal kleiner Zeiteinheit von ihr in den Zylinder-und Schneckenraum abgegebenen Masseportion, erhöht. Zum Beispiel werden zwangsförmig fördernde Mehrschneckeneinrichtungen mit erhöhter Gangzahl angewendet. Einschneckendosiereinrichtungen erhalten am Ende des Zylinders an dessen Innenfläche angebrachte Vorsprünge, die fast bis an den in diesem Abschnitt stegfreien Schneckenkern ragen und die pro Schneckenumdrehung geförderten Materialeinheiten zerkleinern und damit die Gleichmäßigkeit der abgeworfenen Stoffportionen erhöhen sollen. Meistens werden anstelle volumetrisch dosierender Einrichtungen gravimetrische Zuführaggregate wie z. B. Dosierband- oder Differentialdosierwaagen, die eine höhere Fördergenauigkeit besitzen, eingesetzt. Aber auch bei derartigen Einrichtungen kommt es durch den stochastischen Charakter des Pulverabwurfprozesses zu den besagten Ungleichmäßigkeiten in der Matrixbenetzung. Die Unregelmäßigkeit des Zurieselns der Zusatzkomponente wird besonders dadurch in ihrer Auswirkung auf die

Compoundqualität problematisch, daß infolge der meist hohen Drehzahl der Extruderschnecken die Matrixportionen in den aufeinanderfolgenden Schneckenkammern zum Teil mit erheblich unterschiedlichen Portionen der Zusatzkomponente versorgt werden.

Die besagten Fluktuationen in der massemäßigen Zusammensetzung des herzustellenden Compounds können somit trotz hoher Dosiergenauigkeiten der einzelnen Komponenten in der Zone ihres Aufeinandertreffens entstehen.

Ziel der Erfindung

Es ist das Ziel der Erfindung, ein derartiges Verfahren nebst Vorrichtung zu schaffen, damit bei relativ geringem ökonomischem Aufwand eine massemäßig gleichmäßige Primäranlagerung der pulverförmigen Komponente an das Matrixmaterial und damit geringe Konzentrationsschwankungen im fertigen Produkt erzielt werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, die einzelnen Komponenten verfahrensgemäß in einer zweckentsprechenden Vorrichtung zeitlich und örtlich — bezogen auf den Prozeßablauf und-raum—so zusammenzuführen, daß die besagten Ungleichmäßigkeiten in der Primäranlagerung nicht erst auftreten können.

Das dementsprechende erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß ein Teilstrom des wenigstens teilweise im schmelzeflüssigen Zustand vorliegenden Matrixstroms aus dem Zylinder abgezweigt und nach außen geleitet, dem separat zudosierten puiverförmigen Zusatzstoff zugeleitet und mit letzteren, ihn benetzend oder sich mit diesem sogar vermischend, vereinigt und das Gemisch vorzugsweise unter Druck dem Hauptstrom im Extruder wieder zugeführt wird. Das besagte Vermischen der Komponenten kann dabei so intensiv vorgenommen, d. h. in einem Feld hoher Schubspannung und hoher Schergradienten oder bei einer hohen Ausstreichfeinheit, durchgeführt werden, daß eine weitestgehend homogene Vormischung, gegebenenfalls bei hoher Konzentration der Zusatzkomponente als eine Art Masterbatch, erzeugt wird. Es können mehrere solche Matrixabzweigungen und dementsprechend Gemischzuführungen längs des Extruderzylinders vorgenommen wenden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus einem Ein- oder Mehrschneckenextruder mit einer Zuführöffnung für die Zusatzkomponente im Extruderzylinder, einer vor dieser Öffnung befindlichen Drosselstelle in der Schnecke, einer vor der besagten Drosselstelle angeordneten Auslaßöffnung im Zylinder für die Matrixschmelze, einem Dosieraggregat für die Zusatzkomponente, einer zwischen Dosieraggregat und Extruder angeordneten Vormisch- bzw. Homogenisier- ggf. Intensivmischvorrichtung, die über entsprechende Materialzuführleitungen mit dem Dosieraggregat sowie dem Extruder in Verbindung steht, und einer Verbindung zwischen besagter Mischvorrichtung und der Zuführöffnung im Extruderzylinder.

Die Mischvorrichtung stellt in ihrer einfachsten Ausführung eine Kammer dar, in der die Materialkomponenten zusammengeführt werden und eine grobe Mischung entsteht. In einer zweckmäßigeren Ausführung wird die Mischvorrichtung mit kraftleitenden, d. h., die Dispergierung, Verteilung und ggf. auch Förderung bewirkenden Elementen, ausgerüstet. So kann die Mischvorrichtung als ein zwischen Dosierorgan und Extruderzylinder angeordneter, zweckmäßigerweise einen eigenen Antrieb besitzender, in einem Gehäuse exzentrisch gelagerter und einen Spalt zur umgebenden Gehäuseberandung bildender Walzenextruder oder als ein mit einem Spalt zu einer stationären Gegenscheibe mit Auslaßbohrung rotierender Scheibenextruder oder als eine vorzugsweise gleichläufig rotierende und ineinandergreifende Doppelschnecke oder auch als Einschnecke ausgeführt sein. Natürlich können die genannten Homogenisier-und Fördereinrichtungen auch an der Spitze eines als Ein- oder Zweischneckenfördereinrichtung ausgeführten Dosieraggregates angebracht werden. Außer den genannten Vorrichtungen sind weitere an sich bekannte Misch- und Homogenisiervorrichtungen für das erfindungsgemäße Verfahren einsetzbar, beispielsweise ein Planetwalzenmischteil, ein Mischwalzenpaar oder andere zweckentsprechende Vorrichtungen. Zur Stabilisierung der Förderung des Matrixschmelzestromteiles vom Extruder zur Mischvorrichtung bzw. der Zusatzkomponenten/Matrixvormischung von der Mischvorrichtung zum Extruder können druckerhöhende, förderwirksame Vorrichtungen jeweils zwischengeschaltet werden, z.B. Zahnrad-, Kolben-u.a. Pumpen mit eigenem Antrieb. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der dementsprechenden Vorrichtung dokumentiert sich vor allem darin, daß nicht mehr eine ungleichmäßige rieselnde Feststoffkomponente, sondern eine regelmäßig fließende fluide Pulver/Matrix-Vormischung der Matrixschmelzemasse zuströmt. Außerdem wird durch die Anwendung eines geschlossenen Raumes und kentwirksamer Mischelemente bereits eine weitestgehend homogene Vormischung erreicht, die zusammen mit einem gleichmäßigen Zulauf zum Matrixstrom eine gleichmäßige Primäranlagerung der Komponenten im Extruder gewährleistet. Durch die Zwangszusammenführung der Komponenten in der der Zuführungsstelle vorgelagerten Mischvorrichtung wird zudem eine intensivere Benetzung des dispersen Füllstoffes mit Schmelze gewährleistet und eine beim freien Zurieseln der ersteren in die Schmelze zu beobachtende Agglomeratbildung weitestgehend ausgeschaltet. Damit wird eine bessere Compoundqualität gesichert, die sich in besseren Eigenschaften derartiger Plastcompounds niederschlägt. Dadurch kann des weiteren in den meisten Fällen bei zufriedenstellender Qualität die Extruderlänge verkürzt werden, was zu weiteren materiellen und emergetischen Einsparungen führt.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugerhörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1: die Vorrichtung mit Doppelschneckenextruder, Dosierbandwaage und Walzenvormischvorrichtung Fig. 2: die Vorrichtung mit Doppelschneckenextruder, Differentialdosierwaage undZweischneckenvormischvorrichtung.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens besteht aus dem Doppelschneckenextruder 1 mit den Schnecken 2 und 3, dem Zylinder 4 mit der Beschickungsöffnung 5, den Entgasungsöffnungeri 6 und 7 und der Auslaßöffnung 8, der Dosierbandwaage 9 mit dem Aufgabetrichter 10 sowie der Walzenvormischvorrichtung 11, die eine Einzugszone 12 und eine Zuführöffnung 13 zum Extruder 1 aufweist. Die Schnecken 2; 3 besitzen eine Drosselstelle 14 unmittelbar nach der Auslaßöffnung 8 sowie Entspannungszone 15 bzw. 16 im Bereich der Zuführöffnung 13 und Entgasungsöffnung 6 bzw. 7.

Über die Beschickungsöffnung 5 erfolgt die Zugabe des polymeren Matrixmaterials, das während des Transportes mittels der Schnecken 2 und 3 erwärmt und schließlich bis zur Erreichung der Auslaßöffnung 8weitestgehend in Schmelze umgewandelt

Die Drosselstelle 14 bewirkt u.a., daß ein gewisser Teilstrom der Schmelze den Extruder durch die Auslaßöffnung 8 verläßt und zurVormischvorrichtung 11 strömt. Im Bereich der Einzugszone 12 dieser Vorrichtung trifft diese Schmelzeportion mit dem Füllstoff zusammen, der über das Dosieraggregat 9 der vOrmischvorrichtung 11 zudosiert wird. Die Walzenvormischvorrichtung 11 zieht das Schmelze-Füllstoffgemisch ein, dispergiert und homogenisiert es und fördert es über die Zuführöffnung 13 in den Extruder 1 zurück. Im Anschluß an diese Zuspeisung erfolgt über die Entgasungsöffnung 6 die Ableitung leichtflüchtiger Bestandteile. Sodann wird das Compound im Doppelschneckenextruder 1 weiter homogenisiert, im Entspannungsbereich 16 über die Entgasungsöffnung 6 nochmals entgast und schließlich extrudiert.

In Fig.2 ist als eine weitere erfindungsgemäße Lösung der Doppelschneckenextruder 1 mit den Schnecken 2 und 3, dem Zylinder4, der Drosselstelle 14, den Entspannungszonen 15 und 16, der Beschickungsöffnung 5 und der Entgasungsöffnung 6 dargestellt. Auch hier ist vor der Drosselstelle 14eineAusiaßöffnung 8 vorgesehen und eine kombinierte Zuführöffnung 17 hinter der Drosselstelle 14 angebracht, die gleichermaßen der Zuführung der Vormischung Füllstoff/Schmelze wie der Entgasung dient. Im Unterschied zur Fig. 1 ist als Vormischvorrichtung 18 eine Doppelschneckeneinrichtung mit der Einlaßöffnung 19 für die vom Extruder 1 abgezweigte Schmelzeportion, der Beschickungsöffnung 20 und dem Homogenisierabschnitt 21, mit dem Extruder 1 gekoppelt. Als Dosieraggregat 22 dient eine Differentialdosierwaage mit dem Aufgabetrichter 23 und dem wägetechnischen Teil 24. Zwischen Extruder 1 und der Vormischvorrichtung 18 ist ein Druckerhöhungsaggregat 25 in Form einer Zahnradpumpe angeordnet, an dessen Eingang ein Drucküberwachungsgerät 26 angeschlossen ist.

Die Funktionsweise dieser Vorrichtung ist analog zu der in Fig. 1 gezeigten. Durch die Verwendung einer Zahnradpumpe bis Druckerhöhungsaggregat 25 sowie der Zweischneckenvormischvorrichtung 18 wird eine intensivere Vormischung realisiert.

Natürlich kann mit einer solchen Vormischvorrichtung auch seitlich in den Extruder 1 eingespeist werden.

Die Fig. 2 zeigt die Variante einer Freifalleinspeisung von oben. Die kombinierte Zuführöffnung 17 ermöglicht dabei gleichzeitig das Entweichen leichtflüchtiger Bestandteile.

Claims (3)

1. Verfahren zur Intensivierung des Compoundierprozesses plastizierfähiger Verarbeitungsgüter, insbesondere polymerer Stoffe mit Zusatzstoffen, insbesondere pulverförmiger Art, auf Ein-oder Mehrschneckenextfudern, gekennzeichnet dadurch, daß ein Teilstrom des weitestgehend im schmelzflüssigen Zustand vorliegenden Matrixstromes aus dem Extruder abgezweigt und einem separat zudosierten pulverförmigen Zusatzstoff zugeleitet und mit ihm, diesen benetzend sowie sich mit ihm vermischend vereinigt wird, und daß das Gemisch dem Hauptstrom im Extruder wieder zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Ein- oder Mehrschneckenextruder (1) über eine im Zylinder (4) befindliche Auslaßöffnung (8), die in Extrusionsrichtung vor einer Drosselstelle (14) der Schnecken (2; 3) angeordnet ist, mit der Einzugszone (12) einer Vormischvorrichtung (11) bzw. mit einer Einlaßöffnung (19) einer Vormischvorrichtung (18) gekoppelt ist, wobei beschickungsseitig die Einzugszone (12) bzw. eine Beschickungsöffnung (20) der Vormischvorrichtung (11 bzw. 18) mit einem Dosieraggregat (9 bzw. 22) verbunden ist, und daß die Vormischvorrichtung (11 bzw. 18) austragsseitig an eine in Extrusionsrichtung hinter der Drosselstelle (14) befindliche Zuführöffnung (13 bzw. 17) im Zylinder(4) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Auslaßöffnung (8) im Zylinder (4) des Extruders (1) und der Einlaßöffnung (19) der Vormischvorrichtung (18) ein Druckerhöhungsaggregat (25) und ein Drucküberwachungsgerät (26) angeordnet ist.