DE102005015537A1

DE102005015537A1 - Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Polymeren

Info

Publication number: DE102005015537A1
Application number: DE102005015537A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Limper; Bruno Muth
Original assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Current assignee: Harburg Freudenberger Maschinenbau GmbH
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2006-10-05
Also published as: DE112006001495A5; WO2006105757A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Polymeren, der einen Zylinder mit einer darin drehbar gelagerten und über einen Motor rotierbaren Schnecke sowie einen Einzugsbereich mit einer Einzugsöffnung. Um einen hohen Durchsatz zu erzielen, weist die Schnecke in einer ersten Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffnung eine Gangsteigung auf, welche größer als das 1,7fache des Zylinderinnendurchmessers ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Polymeren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solcher Extruder zur Verarbeitung von Kautschuken ist beispielsweise aus der DE 22 35 784C3 und DE 30 03 615 C2 bekannt.

Der bekannte Extruder weist einen Zylinder mit einer darin drehbar gelagerten und von einem Motor antreibbaren Schnecke auf, wobei Metallstifte radial durch den Zylinder in den Arbeitsbereich der Schnecke ragen und die Schnecke in dieser Zone unterbrochene Schneckenstege aufweist.

Mit diesem Extrudertyp werden höhere Ausstoßleistungen respektive Massedurchsälze bei gleichzeitig guter Homogenität des extrudierten Produkts im Vergleich zu konventionellen kalt gefütterten Kautschuk-Extrudern ohne Stifte erreicht.

Diese Vorteile haben dazu geführt, dass der Stiftextruder in den letzten 30 Jahren in der Reifenindustrie der bei weitem häufigst eingesetzte Extrudertyp ist.

Jedoch verlangt die kautschukverarbeitende Industrie eine weitere Steigerung der Masse-Durchsätze bei gleichzeitig guter Produkt-Homogenität.

Es ist allgemein bekannt, dass der Masse-Durchsatz durch Erhöhung der Gangsteigung gesteigert werden kann. Jedoch steigt der Masse-Durchsatz nur bis zu einer Grenz-Gangsteigung, während er bei Überschreiten der Grenz-Gangsteigung sinkt. Der Grenzwert ist abhängig von den rheologischen Materialeigenschaften des zu extrudierenden Polymers sowie dem zu überwindenden Gegendruck an der Schneckenspitze als auch der Gangzahl der Schnecke.

In der Praxis werden auf Schnecken-Extrudern unter Verwendung derselben Schnecken Kautschuke sowie Kunststoffe mit unterschiedlichen rheologischen Eigenschaften verarbeitet, so dass eine Abschätzung der für einen hohen Masse-Durchsatz idealen Gangsteigung schwierig ist.

Typische Gangsteigungen bei Schnecken-Extrudern zur Verarbeitung von Kautschuken sind auf der Seite 36 der Dissertation von G. Harms mit dem Titel „Ein neuer Extruder für die Kautschukverarbeitung" genannt. Sie liegen zwischen 1 und 1,51 bezogen auf den Zylinderinnendurchmesser.

Ferner wird auf der Seite 395 des im Hanser Verlag erschienenen Fachbuchs „Rubber Processing" von James L. White aus dem Jahr 1995 [ISBN 3-446-16600-9] der Hinweis gegeben, dass die wesentlichen Strömungseigenschaften im Einzugsbereich zu dem übrigen Teil des Extruders ähnlich sind und dass deshalb die gleichen mathematischen Ansätze zur Derechnung des Masse-Durchsatzes zu verwenden sind.

Ausgehend vom eingangs zitierten Stand der Technik stellt sich daher die Aufgabe, einen Extruder zur Verarbeitung von Polymeren zu entwickeln, mit dem der Masse-Durchsatz deutlich gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Polymeren, der einen Zylinder mit einer darin drehbar gelagerten und über einen Motor rotierbare Schnecke sowie einen Einzugsbereich mit einer Einzugsöffnung aufweist dadurch gelöst, dass die Schnecke in einer ersten Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffung eine Gangsteigung aufweist, welche größer als das 1,7 fache des Zylinderinnendurchmessers ist.

Der erhöhte Durchsatz begründet sich dadurch, dass im Bereich der Fütteröffnung die Schnecke nicht vollständig vom Zylinder umschlossen ist und der Einfluss des Gegendrucks im Bereich unterhalb der Fütteröffnung auf die Strömung geringer als im geschlossenen Bereich ist. Um einen hohen Durchsatz zu erzielen ist deshalb die Gangsteigung im teilweise offenen Zylinderbereich unterhalb der Fütteröffnung höher als im geschlossenen Zylinderbereich zu wählen.

Dabei ist eine Gangsteigung in der ersten Schnecken-Zone bei geringem Druckeinfluss besonders günstig, welche größer als das 2,0 fache und kleiner als das 2,8 fache des Zylinderinnendurchmessers ist.

Um bei einem Schnecken-Extruder mit hoher Durchsatzleistung ein thermisch und mechanisch homogenes Produkt ohne kalte Kerne zu extrudieren, weist die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone mit einer geringen Gangtiefe auf, welche dem 0,03 fachen bis 0,2 fachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht. Eine besonders gute Wirkung wird hierbei erzielt, wenn die Gangtiefe der zweiten Schnecken-Zone kleiner als das 0,17 fache des Zylinderinnendurchmesser ist.

In einer vorteilhaften Ausführung weisen die erste und zweite Schnecken-Zone unterschiedliche Gangsteigungen und/oder unterschiedliche Gangtiefen auf. Hierdurch kann die Schneckengeometrie im geschlossenen Zylinderbereich und im offenen Zylinderbereich separat an die jeweils vorliegenden unterschiedlichen gegendruckabhängigen Strömungsverhältnisse angepasst werden.

Um eine hohe Druck-Durchsatzstabilität zu erreichen, weist die Schnecke eine, in Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone angeordnete dritte Schnecken-Zone auf, welche sich von der zweiten Schnecken-Zone in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung unterscheidet.

In einer besonderes vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zylinder auf seiner Innenseite im Einzugsbereich Nuten aufweisen. Da die Nuten wie eine Art Kralle wirken und einen Formschluss zum Kautschuk sicherstellen, wird durch ihre Anordnung im Einzugsbereich gewährleistet, dass die Kautschuk-Schmelze an der Zylinderwand haftet und nicht gleitet und somit effektiv in Förderrichtung zur Schneckenspitze transportiert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung, bei der der Schnecken-Extruder im Einzugsbereich unterhalb der Einzugsöffnung eine Speisewalze aufweist, sieht vor, dass die Nuten in Richtung der Zylinderlängsache lediglich auf einem Teilbereich des Einzugbereichs sowie im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet sind.

Durch diese spezielle Anordnung der Nuten wird erreicht, dass die Schmelze im geschlossenen Bereich des Zylinders sowohl durch die von der Schneckenrotation verursachte Schleppströmung als auch von dem durch die Speisewalze induzierten Druck über die Nuten geführt werden. Durch die Nut-Positionierung in dem Einzugsbereich wird somit gewährleistet, dass der schmelzeförmige Kautschuk im Bereich der Einzugsöffnung selbst dann nicht abgeschert bzw. wie von einem Messer abgeschnitten wird, wenn die Nuten gegenüber dem Schneckensteg nicht senkrecht angeordnet sind, wie es bei den wendelförmigen Nuten beim Stiftextruder nach dem Stand der Technik der Fall ist.

D. h. hierdurch können unterschiedlichste Nutverläufe zur Erhöhung des Druckaufbauvermögens verwendet werden.

Die vorbeschriebenen Effekte sind besonders ausgeprägt und günstig, wenn die Nuten eine Länge unterhalb der Einzugsöffnung in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, welche höchstens 50% der Gesamt-Nutlänge beträgt.

Damit durch die Nuten eine Zwangsförderung bzw. eine durch die Nuten geführte Strömung gewährleistet wird, weisen die Nuten eine Gesamt-Länge in Richtung der Zylinderlängsachse auf, welche dem ein- bis vierfachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht.

Hintergrund hierfür ist, dass die Viskosität des Kautschuks aufgrund der eingebrachten Dissipationsenergie und somit Temperatur in Förderrichtung über die Nutlänge sinkt, wobei zur Schmelzeführung eine hohe Viskosität benötigt wird.

Eine Weilerenlwicklung der Erfindung sieht zur Selbstreinigung des Extruders einen konischen Verlauf der Nuten vor.

Besonders vorteilhaft zur Führung der Kautschuk-Schmelze ist es, mehrere Nuten im Einzugsbereich als Axial-Nuten auszubilden, da hierdurch eine schraubenartige Förderung mit sehr hohem Druckaufbau erzielt wird, Der hohe Druck ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Förderrichtung nachgeordnete Misch- und Scherelemente, welche üblicherweise Druck verbrauchen, ohne oder mit minimalen Durchsatzverlusten durchströmt werden sollen. Die analoge Betrachtung gilt für am Extruder angeschlossene Werkzeuge mit hohen Druckverbrauch.

Ferner verbessert sich die Schmelzeführung dadurch, dass die Nuten eine rechteckige Ausprägung aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Schnecken-Zone und die Nuten im gleichen Bereich bezogen auf die Zylinderlängsachse angeordnet sind. Durch diese korrespondierende Anordnung wird erreicht, dass die Kautschuk-Schmelze über die komplette Höhe des Gangs durch die Nuten geführt werden kann. Dies gelingt bei tiefer ausgebildeten Gängen nicht. Ferner wird hierdurch eine thermisch homogene Schmelzeverteilung im Schneckenkanal erreicht, da einerseits durch die geringe Gangtiefe bewirkt wird, dass der Anteil der Zirkularströmung im Schneckenkanal sowie die auf das Material wirkenden Schubspannung steigt. Mit der Zirkularströmung wird eine warme bereits gescherte Schicht der Kautschuk-Schmelze durch den Schneckenkanal wendelförmig zwischen Schneckengrund und Zylinderwand in Richtung der Schneckenspitze transportiert, so dass bei steigendem Strömungsanteil der Zirkularströmung der Wärmeaustausch im Schneckenkanal verbessert wird. Ferner wird durch die hohe Schubspannung der Anteil der kalten Strömungsbereiche verringert oder verhindert, weil die durch eine Grenzschubspannung charakterisierte Fließgrenze des Kautschuks überschritten wird.

Die Nuten auf der Zylinderinnenseite bzw. Zylinderwand verhindern, ein Gleiten der Kautschuk-Schmelze an der Zylinderwand. Hierdurch wird ein hoher Durchsatz erreicht, der im Wesentlichen nicht vom im Schneckengang aufgebauten Gegendruck abhängt.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schnecken-Extruders zur Verarbeitung von Polymeren beschrieben.
Der Schnecken-Extruder des Ausführungsbeispiels weist eine in einem Zylinder drehbar gelagerte und über einen Motor antreibbare Schnecke auf, mit der als Polymer Kautschuk bei Rotation der Schnecke durch den Zylinder gefördert wird und unter Druck durch ein an den Zylinder befestigtes Werkzeug transportiert wird.
Selbstverständlich kann der erfindungsgemäße Extruder auch zur Verarbeitung von Kunststoffen verwendet werden, welcher der Schnecke granulatförmig zugeführt wird.
Dem Extruder der vorliegenden Ausführung wird in seinem Einzugsbereich Kautschuk streifenförmig oder granulatförmig über einen Trichter und seine anschließende Einzugsöffnung im Zylinders zugeführt. Die Einzugsöffnung zeichnet sich durch eine Aussparung im Zylinder aus, unterhalb dieser eine antreibbare drehbare Speisewalze angeordnet ist, welche den Einzug des Kautschuks in den Extruder unterstützt. Insbesondere bei Verwendung von granulatförmigem Kautschuk zur Fütterung des Extruders kann auf die Speisewalze verzichtet werden. Der Einzugbereich entspricht in seiner Länge dem drei- bis fünffachen des Zylinderinnendurchmessers und besteht aus einem einzelnen Zylindersegment mit einer innenseitig montierten Buchse, welches bspw. über ein Stift-Zylindersegment mit einem Austragszylindersegment verbunden ist.
Zur Durchsatzoptimierung hat die Schnecke in einer erste Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffnung eine Gangsteigung, welche größer als das 1,1 fache des Zylinderinnendurchmessers ist. Damit die Schnecke besonders viel Kautschuk pro Zeiteinheit einzieht, entspricht die Gangsteigung einem Wert, der zwischen dem 2 fachen und 2,8 fachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht. Dieser Wert ist besonders günstig, wenn sich ein geringer Gegendruck gegenüber der Schleppströmung im Gang der Schnecke ausbildet.
Bei einem vernachlässigbaren Gegendruck entspricht die Gangsteigung dem 3,2 fachen Wert des Zylinderinnendurchmessers, wobei auch für Gangsteigungen zwischen dem 2,8 fachen und 3,5 fachen des Zylinderinnendurchmessers noch sehr hohe Durchsätze erreicht werden. Der Durchsatz sollte bei einer Gangsteigung von 3,2 mal dem Zylinderinnendurchmesser theoretisch maximal sein, da bei diesem Wert der Förderwinkel von 45° für einen maximalen Durchsatz bei reiner Scherströmung erreicht wird.
Der zur Schleppströmung gerichtete Gegendruck ist abhängig von dem Verhältnis der Länge und der Breite der Fütteröffnung bezogen auf die Zylinderlängsachse gegenüber der Gangsteigung der ersten Schnecken-Zone, denn dieses Verhältnis bestimmt, ob und ggf. in welchem Maß die im Schneckengang geförderte Kautschuk-Schmelze über die Fütteröffnung unmittelbar in den geschlossen Zylinderbereich gefördert wird.
Deshalb wird abhängig von den Abmessungen der Fütteröffnung die Gangsteigung ermittelt.
Um die Ausbildung von kalten und ungescherten Strömungsbereiche (Kernen) im Schneckenkanal zu verhindern, weist die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone auf, bei der die Gangtiefe dem 0,08 fachen bis 0,2 fachen des Zylinderinnendurchmesser entspricht. Ein besonders homogenes Temperaturprofil ohne kalte Strömungsbereiche ergibt sich bei einer Gangtiefe, welche kleiner als 0,17 fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Für die erste und zweite Schnecken-Zone sind zur Erzielung eines hohen Masse-Durchsatzes unterschiedliche Gangsteigungen und/oder Gangtiefen gewählt, um die unterschiedlichen Fördermechanismen in diesen Bereichen zu berücksichtigen.
In Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone, ist eine dritte Schnecken-Zone angeordnet, welche gegenüber der zweiten unterschiedliche Abmessungen in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung besitzt.
In dem Einzugsbereich weist der Zylinder auf seiner Innenseite im Arbeitsbereich der Schnecke mehrere Nuten auf, welche umfangsseitig gleichmäßig verteilt sind. Denkbar ist aber auch nur eine einzige Nut vorzusehen.
Vorzugsweise sind die Nuten in Richtung der Zylinderlängsachse lediglich in einem Teilbereich des Einzugsbereichs und im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet ist. D.h. die Nuten sind nicht unterhalb der gesamten Einzugsöffnung, bezogen auf die Zylinderlängsachse, vorgesehen.
Unterhalb der Einzugsöffnung beträgt die Länge der Nuten höchstens 50% dar Gesamt-Nutlänge, wobei die Länge der Nuten in Richtung der Zylinderlängsachse betrachtet wird.
Da die Viskosität über die Schneckenlänge in Extrusionsrichtung bzw. Förderrichtung abnimmt, entspricht die Gesamt-Länge der Nut, bezogen auf die Zylinderachse, das ein- bis vierfache des Zylinderinnendurchmessers. Bei dieser Länge liegt noch eine hochviskose und über die Nuten führbare Schmelze im Schneckenkanal vor.
Die Nuten sind im Bereich der zweiten Schneckenzone, bezogen auf die Zylinderlängsachse, angeordnet. D.h. der Bereich der Nuten und zweiten Schnecken-Zone mit der geringen Gangtiefe sind korrespondierend zueinander angeordnet, wobei die Nuten als rechteckige Axial-Nuten mit einer in Förderrichtung abnehmenden Nuttiefe in die Einlauf-Buchse eingearbeitet sind.

Claims

Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Polymeren, der einen Zylinder mit einer darin drehbar gelagerten und über einen Motor rotierbaren Schnecke sowie einen Einzugsbereich mit einer Einzugsöffnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke in einer ersten Schnecken-Zone im Bereich der Fütteröffung eine Gangsteigung aufweist, welche größer als das 1,7 fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schnecken-Zone eine Gangsteigung aufweist, die größer als das 2 fache und kleiner als das 2,8 fache des Zylinderinnendurchmessers ist.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke, in Förderrichtung betrachtet, vor der Fütteröffnung eine zweite Schnecken-Zone mit einer Gangtiefe aufweist, die dem 0,08 fachen bis 0,2 fachen des Zylinderinnendurchmesser entspricht.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Schnecken-Zone unterschiedliche Gangsteigungen/oder Gangtiefen aufweisen.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke eine, in Förderrichtung betrachtet, vor der zweiten Schnecken-Zone angeordnete dritte Schnecken-Zone aufweist, welche sich von der zweiten Schnecken-Zone in der Gangtiefe und/oder der Gangsteigung unterscheidet.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schnecken-Extruder zur Verarbeitung von Kautschuken ausgebildet ist.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Einzugsbereich unterhalb der Einzugsöffnung eine Speisewalze vorgesehen ist und der der Zylinder auf seiner Innenseite im Einzugsbereich Nuten aufweist.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten in Richtung der Zylinderlängsache lediglich auf einem Teilbereich des Einzugbereichs sowie im Zylinderabschnitt unterhalb der Einzugsöffnung höchstens teilweise ausgebildet sind.
Schnecken-Extruder nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Einzugsöffnung die Nuten eine Länge in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, welche höchstens 50% der Gesamt-Nutlänge beträgt.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten eine Gesamt-Länge in Richtung der Zylinderlängsachse aufweisen, welche dem ein- bis vierfachen des Zylinderinnendurchmessers entspricht.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Nuten im Einzugsbereich als Axial-Nuten ausgebildet sind.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten konisch verlaufen.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten rechteckig ausgebildet ist.
Schnecken-Extruder nach mindestens einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnecken-Zone und die Nuten im gleichen Bereich bezogen auf die Zylinderlängsachse angeordnet sind.