DD261271A3 - Vorrichtung zum konditionieren von thermoplastschmelzen beim extrusionsschaeumen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung fuer Extruder zum kontinuierlichen Extrusionsschaeumen von verschiedenartigen Thermoplasten. Die Vorrichtung, die zwischen einem Extruderzylinder 2 und einem Extrusionswerkzeug 3 angeordnet ist und aus einem zylindrischen Gehaeuse 4 besteht, in dem axial torpedofoermige Bauteile aus Metall mit Kuehlkanaelen zum Foerdern von Teilstroemen angeordnet sind, wobei die Laenge der Kuehlkanaele zu ihrem Durchmesser ein bestimmtes Verhaeltnis haben, die Gesamtquerschnittsflaeche aller Kuehlkanaele groesser ist als die wirksame Schmelzeeinflussflaeche und mehrere Kuehlstufen nacheinander geschaltet sein koennen, ist erfindungsgemaess derart gestaltet, dass im temperierfaehigen Gehaeuse 4 ein oder mehrere torpedofoermige Bauteile 7, 8 angeordnet sind, die je einen von Temperierfluessigkeit durchstroemten Hohlraum 9 besitzen, deren Laengswandungen achsenparallel verlaufende Kuehlkanaele 10 mit gleichem Abstand zum Kuehlmedium aufweisen, auf der dem Extruderzylinder 2 zugewandten Seite dem torpedofoermigen Bauteil 7 ein Schmelzeverteilerstueck 11 zugeordnet ist, auf der dem Extrusionswerkzeug 3 zugewandten Seite im Gehaeuse 4 sich ein Vereinigungsstueck 12 befindet (siehe Figur 2). Die Vorrichtung ermoeglicht unter anderem das Verschaeumen von Thermoplastabfallgemischen. Fig. 2

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen
Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Extruder zum kontinuierlichen Extrusionsschäumen von verschiedenartigen Thermoplasten.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Die Verschäumung von Thermoplasten mittels Extrusion beruht darauf, daß in der Schmelze auf physikalischem Weg oder durch chemische Reaktion eingetragene Gase unter Druck verteilt werden und im darauffolgenden Entspannungsschritt zum Schäumen des Extrudats führen.
Die Schaffung von für den Schäumprozeß geeigneten Druck-und Temperaturbedingungen in der Schmelze unmittelbar vor und während der Entspannungsphase stellt neben dem Einbringen der als Treibmittel wirkenden Substanzen das schwierigste Problem dar. Es gilt, die Diffusionsbeständigkeit der sich bildenden Zellwände, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plastschmelze aufeinander abzustimmen.
Die Druckverluste durch die Einstellung der Schäumbedingungen in der Schmelze müssen möglichst gering bleiben. Es ist ein ausreichender Massedruck bis zum Eintreten des Schäumprözesses zu gewährleisten, so daß kein Treibgas vor der Schäumzone aus der Schmelzlösung entweichen kann.
Die Regulierung der Schäumbedingungen erfolgt durch die Steuerung der Massetemperaturen der zu verschäumenden Plastschmelzen. Bei den teilkristallinen Polyolefinen liegen sie im technologisch schwierig zu steuernden Bereich wenig unterhalb der Kristallitschmelzpunkte, während bei den amorphen Thermoplasten wie Polystyren und Polyvinylchlorid breitere Temperaturintervalle innerhalb der Erweichungsbereiche zum Schäumen möglich sind. Die Anforderungen an die Konditionierung von Thermoplastschmelzen für das Extrusionsschäumen haben zu einer Vielfalt apparativ aufwendiger Lösungen geführt.
So werden zwei Extruder in Tandem-Anordnung hintereinander geschaltet. DieExtrusionsstreckeistineinePlastifizierungszone, eine Injektionszone, eine Misch- und Kühlzone und eine Extrusionszone untergliedert. Der zweite Extruder mit den Zonen des Mischens und Kühlens ist von einem Kühlmantel umgeben, in dem sich eine Kühlflüssigkeit bewegt (US-PS 151192). Bei einem anderen Extruder mit einem sehr großen Länge-Durchmesser-Verhältnis der Schnecke von 40 D und mehr wird in der letzten Zylinderzone vor dem Extrusionswerkzeug eine Konditionierung der Schmelze für das Schäumen vorgenommen (US-PS 4424287). In der US-PS 2669781 ist am verlängerten Extrusionszylinderzum Konditionieren der Schmelze eine gekühlte Welle angeordnet. Die US-PS 3751 377 offenbart Zwischenfläche-Oberfläche-Generatoren als statische Mischer. Bei allen bekannten Vorrichtungen wird in der Kühlzone zusätzlich noch gemischt, wobei Wärme dissipiert wird. Das wirkt dem Kühleffekt entgegen. Bei teilkristallinen Polymeren sind diese Vorrichtungen teilweise nicht anwendbar, da die erreichbare Kühlung zu gering ist. Die meisten bekannten Vorrichtungen sind an definierte zu verschäumende Substanzen gebunden bzw. auf ein spezielles Problem des Extrusionsschäumens ausgelegt.
In der DE-OS 2906973 wird eine Schmelzen-Kühlvorrichtung aufgezeigt, mit der die Schmelze in Teilströme aufgeteilt und gekühlt wird. Sie ist zwischen Extruderzylinder und Extrusionswerkzeug angeordnet, besteht aus einem Einlaß-Sammelkanal und einem Auslaß-Sammelkanal, zwischen denen sich ein oder mehrere gekühlte Blöcke aus Metall, vorzugsweise Aluminium, befinden. Ein Metallblock, von einer Kühlrinne umgeben, weist eine Reihe durchgehender Löscher bzw. Durchlässe auf, die bevorzugt eine gleichbleibend kreisförmige Querschnittsform besitzen, quer zur Richtung des Einlaß-Sammelkanals angeordnet sind und nacheinander in bezug auf diese Richtung in den Auslaß-Sammeikanal führen. Die Sammelkanäle können einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, der durch die innere Oberfläche des Gehäuses und einem torpedoförmigen Bauteil begrenzt ist. Die Durchlässe fördern Teilströme senkrecht sowohl zur einströmenden wie zur ausströmenden Schmelze. Diese Teilströme kühlen sich in den Durchlässen ab und erzeugen im Auslaß-Sammelkanal eine vermischende Turbulenz. Flächenmäßig ist vorzugsweise die Gesamtheit der Durchlaßöffnungen so, daß keine Einengung im Durchlaß des Materials von einem Sammelkanal zum anderen entsteht. Der Durchmesser der Durchlaßöffnungen ist ein einem weiten Bereich wählbar (ca. 3 mm bis 10 mm). In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel übersteigt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Durchlaßöffnungen nicht wesentlich 10:1. Die Gesamtquerschnittsfläche der Durchlaßöffnungen, die einen Einlaß-Sammelkanal mit einem Auslaß-Sammelkanal verbinden, ist vorzugsweise größer als die wirksame Querschnittsfläche des Einlaß-Sammelkanals und vorzugsweise auch größer als die des Auslaß-Sammelkanals. Es können mehrere Kühlstufen nacheinander geschaltet sein, indem an den Einlaß-Sammelkanal eines folgenden Blockes sich der Auslaß eines vorhergehenden anschließt.
Mit dieser Vorrichtung können Schaumstoffe bis zu einer gleichmäßigen Dichte von 0,03 g/cm3 extrudiert werden. Diese Kühlvorrichtung besitzt einen durchdiein der Hülse radial angeordneten Durchflußlöcherund die sich dazu in einem bestimmten Verhältnis axial erstreckenden Sammelkanäle komplizierten Aufbau. Wenn das Verhältnis des Ein- bzw. Auslaß-Sammelkanals zu den quer zur Richtung nacheinander verlaufenden Durchlässen nicht übereinstimmt, kann es zum Stau oder aber zu großen Druckunterschieden und damit zu erheblichen Mängeln beim Verschäumen kommen. Die nur umlaufende Kühlung an den Blöcken verursacht sehr leicht eine ungleiche Kühlung, beispielsweise eine stärkere Kühlung in den mehr außenliegenden Durchlaßkanälen, die zu ungleicher Konditionierung der Schmelze führt.
Im Extremfall können die Kühlkanäle in den Randbereichen des Blockes einfrieren, d. h. durch erstarrte Schmelze zugesetzt werden.
Gleichzeitig werden die innenliegenden Kanäle schneller durchströmt, woraus geringere Kühleffektivität resultiert. Damit wird die Verarbeitungsmöglichkeit-der Vorrichtung auf Thermoplaste reduziert, die sich durch ein bestimmtes Fließverhaiten auszeichnen, z. B. hochmolekulare Polystyren-Typen. Dementsprechend werden die in der DE-OS 2906973 genannten niedrigen Schaumdichten nur an ausgewählten Primär-Thermoplasten nachgewiesen, nicht aber an Thermoplast-Gemischen bzw. Thermoplastabfall-Gemischen mit unbestimmten und schwankenden Fließeigenschaften. Die Funktiopsfähigkeit der Vorrichtung für derartige Stoffgemische wird angezweifelt.
Bei stufenweiser Kühlung, d. h. bei Aneinanderreihung von Blöcken oder aber bei erforderlichen veränderten Kühlflächen ist der gerätetechnische Aufwand erheblich. Eine variable Anwendung dieser Vorrichtung für die Herstellung von Thermoplast-Schaumprofilen wird damit kostenintensiv.
In der Anmeldung DD-WP B 29 D 288187 5 der Erfinder wird die Konditionierung der Thermoplastschmelzen durch die Abkühlung der Extrudatoberflachen unter Beibehaltung des Extrusionsdruckes vorgenommen. Die auf diese Weise hergestellten Schaumextrudate besitzen wenig Möglichkeiten der Variation des Extrudatquerschnittes und können ausschließlich mit einer grobzelligen Struktur produziert werden. Daraus resultieren Einschränkungen für die Anwendbarkeit der Thermoplast-Schaumprofile.
Ziel der Erfindung
Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, billige Vorrichtung zum Kühlen der ein Treibgas enthaltenden Thermoplast-Schmelze zu schaffen, mit der der Massestrom bei geringem Kraftaufwand über seinen Querschnitt homogen abgekühlt wird. Der Massedruck nach Passieren der Vorrichtung soll im Extrusionswerkzeug noch so hoch sein, daß vordem Austritt der Schmelze in die Atmosphäre kein Treibgas aus der Schmelzlösung entweichen kann. Die Vorrichtung soll an herkömmliche Extrusionsanlagen für Thermoplaste zu installieren sein und die Durchführung des Extrusionsschäumverfahrens auf solchen Maschinenermöglichen.
Wesen der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Massetemperatur der Thermoplastschmelze unter Beibehaltung des Massedruckes soweit zu senken, daß nach Freisetzung der Stoffmischung Schmelze-Treibmittel — Zusatzkomponenten durch Entspannung des Treibgases Schäumen eintritt. Mit einer Vorrichtung soll die vom Extruderzylinder gelieferte treibmittelhaltige Schmelze gekühlt und in das folgende Extrusionswerkzeug weitergeleitet werden. Nach Verlassen der Extrusionsdüse sollen in den Extrudaten aus Thermoplasten, Thermoplastgemisch en, insbesondere Thermoplastabf al !gemischen solchen Bedingungen
der Diffusionsbeständigkeit gegenüber im Inneren freigesetzten Gasen und der Schmelzenviskosität vorliegen, daß ein gleichmäßiges Schäumen unter Bildung feiner geschlossener Zellen eintritt und Thermoplastschäume mit Dichten kleiner 0,1 g/cm3 hergestellt werden können.
Die Vorrichtung zum Konditionieren von Thermoplastschmelzen beim Extrusionsschäumen, die zwischen einem Extruderzylinder und einem Extrusionswerkzeug angeordnet ist und aus einem zylindrischen Gehäuse besteht, in dem axial torpedoförmige Bauteile aus Metall, vorzugsweise Aluminium, mit Kühlkanälen zum Fördern von Teilströmen der Schmelze angeordnet sind, wobei die Länge der Kühlkanäle zu ihrem Durchmesser ein bestimmtes Verhältnis haben, die Gesamtquerschnittsfläche aller Kühlkanäle größer ist als die wirksame Schmelzeeinflußfläche und mehrere Kühlstufen nacheinander geschaltet sein können, ist erfindungsgemäß derart gestaltet, daß im zylindrischen temperierfähigen Gehäuse ein oder mehrere zylindrische torpedoförmige Bauteile angeordnet sind, die je einen von Temperierflüssigkeit durchströmten Hohlraum besitzen, in deren Längswandungen achsenparallel Kühlkanäle verlaufen, deren Form und Länge, das Länge-Durchmesser-Verhältnis sowie das Verhältnis des Gesamtquerschnittes zum Schmelzeeinflußquerschnitt bekannt sind. Sie besitzen alle den gleichen Abstand zum Kühlmedium. Einem torpedoförmigen Bauteil ist auf der dem Extruderzylinder zugewandten Seite ein Schmelzeverteilerstück, das vorzugsweise kegelförmig gestaltet ist, so zugeordnet, daß die Schmelze über den Gesamtquerschnitt der Kühlkanäle gleichmäßig verteilt ist. Ist der Außendurchmesser des kegelförmigen Schmelzeverteilerstückes gleich dem des zugehörigen torpedoförmigen Bauteils, müssen im Schmelzeverteilerstück korrespondierend in den Kühlkanälen Axialbohrungen angeordnet sein.
In der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils sind die Kühlkanäle mit vorzugsweise runden Durchmessern gleichmäßig verteilt. Der äußere Durchmesser der zylindrischen Wandung ist > dem Schneckendurchmesser im Extruderzylinder.
Bei einer Stufenkühlung, wo zwei oder mehrere torpedoförmige Bauteile im zylindrischen Gehäuse in Reihe angeordnet sind, können die Kühlkanälflächen zu denen eines nachfolgenden Bauteils unterschiedlich groß sein, indem die Anzahl der Kühlkanäle und/oder deren Einzelquerschnitte variiert werden.
An der inneren Wandung des zylindrischen Gehäuses in Richtung Extrusionswerkzeug ist ein Vereinigungsstück angebracht, das bei genannter Stufenkühlung mit dem Schmelzeverteilerstück eines folgenden torpedoförmigen Bauteils einen Schmelzestromvereinigungskanal bildet. .
Die im Extruder erzeugte Schmelze mit dem in ihr dispergierten Treibmittel, ggf. einer Treibmittel-Trägersubstanz und weiteren Modifizierungskomponenten wird hinter der Schnecke im Extrusionszylinder zu einem einheitlichen Massestrom vereinigt und über das Schmelzeverteilerstück den Kühlkanälen der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils gleichmäßig zugeführt. Der Gesamtquerschnitt der achsenparallelen Kühlkanäle ist mindestens gleich groß oder größer als der des Ringspaltes im Extrusionszylinder, wodurch sich Strömungsgeschwindigkeiten der Teilströme der Schmelze in den Kühlkanälen ergeben, die gleich oder kleiner als die im Ringspalt sind. Die Anzahl der Kühlkanäle ist so ausgelegt, daß ihr Gesamtquerschnitt das 1,5- bis3fache des Ringquerschnittes beträgt. Zur Gewährleistung ökonomischer Durchsatzraten sowie zur Eröffnung von Verarbeitungsmöglichkeiten für verschiedenartige Thermoplaste, Thermoplastgemische und auch Abfallgemische, die sich aufgrund ihrer spezifischen Eigenschaften nurschwerverarbeiten lassen, ist es vorteilhaft, die Kühlkapazität derVorrichtung den thermodynamischen Eigenschaften und den Fließeigenschaften verschiedener Schmelzen anpassen zu können. Zur Lösung dieser Aufgabe werden zwei oder mehrere Kühltorpedos hintereinander in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet. Durch die Form des Schmelzevereinigungsstückes werden zunächst die Teilströme wieder zusammengeführt und anschließend für den folgenden torpedoförmigen Bauteil mit seinen Kühlkanälen zur gleichmäßigen Aufteilung über den ringförmigen Querschnitt der zylindrischen Wandung wieder aufgeteilt. Die Aufteilung der Schmelze in Teilströme im torpedoförmigen Bauteil ist bevorzugt eine andere als im vorhergehenden.
Ausführungsbeispiel
Es zeigen:
Figur 1: eine Extrusionsschäumeinrichtung
Figur 2: Längsschnitt durch eine Konditioniervorrichtung
Figur 3: Schnitt A-A durch die Konditioniervorrichtung
Thermoplastabfälle aus Haushalten, bestehend aus 42% PE hoher Dichte, 28% PE niederer Dichte, 15%PVC-h und 15% Polystyren und Polystyrencopolymeren, werden zerkleinert, einem Waschprozeß unterzogen und von eisenhaltigen Verunreinigungen befreit. Das so aufbereitete Thermoplast-Abfallgemisch wird mittels Granulator zu einem rieselfähigen Schüttgut mit Korngrößen unter 4mm aufbereitet und mit Schäumhilfsmitteln und einem geeigneten physikalisch wirkenden Treibmittel, z. B. Ethanol, versehen. Die so vorbereitete Mischung wird in den Aufgabentricnter eines Einschneckenextruders mit 45 mm Schneckendurchmesser D und 25 D Schneckenlänge gegeben. Bei einer Umdrehungszahl der Schnecke (13) von 50 min"1 beträgt die Massetemperatur vor der Schneckenspitze 445 K und der Massedruck 1 850MPa.
Die Schmelze wird vereinigt und in der Konditioniervorrichtung 1, die durch Flansche 5, 6 mit dem Extruderzylinder 2 und dem Extrusionswerkzeug 3 verbunden ist, dem Schmelzeverteilerstück 11 und dem ersten von zwei torpedoförmigen Bauteilen 7, 8 im zylindrischen Gehäuse 4 zugeführt. Durch das kegelförmige Schmelzeverteilerstück 11 wird die Schmelze direkt auf sechs achsparallele Kühlkanäle 10 mit runden Querschnitten in der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils 7 gelenkt. Die Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühl kanälen 10 ist gleich oder kleiner als die im Ringspalt zwischen Kerndurchmesser der Extruderschnecke 13 und dem Innendurchmesser des Extruderzylinders.
Die Temperatur des durchströmenden Kühlmediums in den Hohlräumen 9 der torpedoförmigen Bauteile 7, 8 beträgt im kontinuierlichen Betrieb 388 K. Die Zu- und Abführung des Temperaturmediums in und aus dem zylindrischen Hohlraum erfolgt durch radiale Bohrungen 14 im Mantel des torpedoförmigen Bauteils 7 und 8, die zwischen den Kühlkanälen 10für die Schmelze angeordnet sind. Zur Gewährleistung von hoher Kühlleistung sowie hysteresearmer und genauer Steuerung der Konditioniervorrichtung sind die torpedoförmigen Bauteile 7, 8 aus Aluminium gefertigt. Die aus den Kühlkanälen 10 des
torpedoförmigen Bauteils 7 kommenden Teilströme der Schmelze werden durch dasSchmelzevereinigungsstuck 12 und den Verteiler 11 des folgenden torpedoförmigen Bauteils 8 wieder vereinigt und auf seine acht achsparallelen Kühlkanäle wieder gleichmäßig verteilt.
Die Länge der torpedoförmigen Bauteile 7, 8 ist so bemessen, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kühlkanäle nicht 15:1 übersteigt. Nach dem Verlassen der Vorrichtung, im Stauraum des Extrusionswerkzeuges 3 vor der Düse besitzt die Masse eine Temperatur von 407 K. Nach dem Verlassen der 8-mm-Runddüse schäumt das Extrudatzu einem Schaumstrang von 42 mm Durchmesser auf, dessen Dichte nach dem Abkühlen 0,053 gern"3 beträgt. Die Zellstruktur ist mit Zellgrößen unter 0,5 mm sehr fein, lediglich an Punkten mit Verunreinigungen, z.B. nicht aufschließbaren Duroplastpartikeln, ergeben sich Blasen bis zu 3 mm Durchmesser.
Das Extrudat kann sofort nach dem Austreten aus der Düse mittels Heißabschlag-Granulierung zu einem Schaumgranulat verarbeitet werden, das als feuchte- und verrottungsbeständige lose Dammschüttung im Bauwesen verwendet werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Dammschüttung beträgt 0,06WrrT1K~1. Damit ist eine neue hochwertige Variante der Wiederverwertung von Thermopiast-Abfallgemischen minderer Qualität gegeben.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Konditionieren von Thermoplastschmelzen beim Extrusionsschäumen, die zwischen einem Extrusionszylinder und einem Extrusionswerkzeug angeordnet ist und aus einem zylindrischen Gehäuse besteht, indem axial torpedoförmige Bauteile aus Metall, vorzugsweise Aluminium, mit Kühlkanälen zum Fördern von Teilströmen der Schmelze angeordnet sind, wobei die Länge der Kühlkanäle zu ihrem Durchmesser ein bestimmtes Verhältnis haben, die Gesamtquerschnittsfiäche aller Kühlkanäle größer ist als die wirksame Schmelzeinflußfläche und mehrere Kühlstufen nacheinander geschaltet sein können, dadurch gekennzeichnet, daß in dem temperierfähigen Gehäuse (4) ein oder mehrere zylindrische torpedoförmige Bauteile (7, 8) angeordnet sind, die je einen von Temperierflüssigkeit durchströmten Hohlraum (9) besitzen, deren Längswandungen achsenparallel verlaufende Kühlkanäle (10) bekannter Form und Länge, bekannten Länge-Durchmesser-Verhältnisses sowie bekannten Verhältnisses des Gesamtquerschnittes zum Schmelzeeinflußquerschnitt der Schmelze aufweisen und gleichen Abstand zum Kühlmedium aufweisen, auf der dem Extruderzylinder (2) zugewandten Seite dem torpedoförmigen Bauteil (7) ein Schmelzeverteilerstück (11) so zugeordnet ist, daß die Schmelze über den Gesamtquerschnitt der Kühlkanäle (10) gleichmäßig verteilt ist, auf der dem Extrusionswerkzeug (3) zugewandten Seite im Gehäuse (4) sich ein Vereinigungsstück (12) befindet und bei Stufenkühlung mit dem Schmelzeverteilerstück (11) eines folgenden torpedoförmigen . Bauteils (8) einen Schmelzestromvereinigungskanal bildet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Wandung eines torpedoförmigen Bauteils (7, 8) die Kühlkanäle (10) mit vorzugsweise runden Durchmessern gleichmäßig verteilt sind.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils (7,8) > dem Schneckendurchmesser im Extruderzylinder (2) ist.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlkanalfläche durch die Anzahl der Kühlkanäle (10) und/oder deren Einzelquerschnitte variabel ist und sich bei Stufenkühlung in aufeinanderfolgenden torpedoförmigen Bauteilen (7, 8) unterscheidet.
5i Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzeverteilerstück (11)
kegelförmig gestaltet ist.
6.· Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichem Außendurchmesser des kegelförmigen Schmelzeverteilerstückes (11) und des dazugehörigen torpedoförmigen Bauteils (7, 8) im Schmelzeverteilerstück (11) Axialbohrungen korrespondierend zu den Kühlkanälen (10) angeordnet sind.
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