DE1144233B - Vorrichtung zum Kneten, Mischen und Homogenisieren zaehfluessiger Stoffe, insbesondere zum Aufbereiten und Pressen von Thermoplasten - Google Patents

Description

Zum Aufbereiten von zähflüssigen, insbesondere thermoplastischen Stoffen verwendet man im allgemeinen mit einer oder mehreren Schnecken versehene Schneckenpressen, deren Arbeitsraum im wesentlichen zylindrisch bzw. aus mehreren zylindrischen Räumen zusammengesetzt ist. Die angestrebte Zustandsänderung des Arbeitsgutes erfordert die Berücksichtigung unterschiedlicher Bedingungen. Zunächst soll eine möglichst vollkommene Homogenisierung des Arbeitsgutes erzielt werden. Dies ist zwar weitgehend durch die Wahl eines geeigneten, dem Arbeitsgut eine möglichst intensive Wälzbewegung in den Schneckengängen erteilenden Gangquerschnittes zu erreichen, jedoch ist auch eine gewisse Gesamt-Ganglänge erforderlich, die maßgeblich für die Baulänge der Schnecke ist. Sodann ist häufig eine sorgfältige Temperaturführung zu beachten, um z. B. bei Thermoplasten eine örtliche Überhitzung zu vermeiden, die zu Farbänderungen führen könnte. Hierzu ist es erforderlich, die auf den Gangquerschnitt pro Längeneinheit bezogene, als Wärmeaustauschfläche dienende Außenwandfläche möglichst groß zu machen, was durch geringe Ganghöhe und geringen Schneckendurchmesser erreicht wird, jedoch eine weitere Vergrößerung der Schneckenlänge bedingt. Schließlich sind besondere Rücksichten auf die Druckführung zu nehmen, um z. B. drucklose Zonen für die Abführung von Gasen und die Zuführung von Zusatzstoffen zu schaffen. Eine Druckverminderung wird erzielt durch Geschwindigkeitsverminderung des Arbeitsgutes je Längeneinheit, mithin durch eine Querschnittsvergrößerung je Gewindegang, was bei geringem Schneckendurchmesser wiederum nur durch eine Vergrößerung der Schneckenlänge erzielbar ist.

Auf Grund dieser Bedingungen hat die Entwicklung bekanntlich zu immer größeren Baulängen der Schneckenpressen geführt. Darüber hinaus liegt ein weiteres wichtiges Problem in der konstruktiven Beherrschung der Axialdrücke in den Spindellagern, insbesondere im Hinblick darauf, daß die Schneckenspindel und das Schneckengehäuse für einen Produktoder Farbwechsel leicht zugänglich sein müssen.

Die Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, das seit langem bestehende Bedürfnis nach einer drastischen Verkürzung der Baulänge unter Beibehaltung der technologischen Vorteile der Schneckenpressen zu befriedigen.

Es ist bereits eine Schneckenpresse bekannt, die als Verlängerung der Schneckenspindel vor der Ausschiebeöffnung der Masse ein doppelt kegelförmig verdicktes Förderorgan besitzt. Auf dem Kamm der Verdickung soll eine Niederdruckzone entstehen, die

und Homogenisieren zähflüssiger Stoffe,

insbesondere zum Aufbereiten und Pressen

von Thermoplasten

Anmelder:

. Badische Anilin- & Soda-Fabrik
Aktiengesellschaft, Ludwigshafen/Rhein

August Rettig, Ludwigshafen/Rhein,
ist als Erfinder genannt worden

ein Abziehen von aus dem Arbeitsgut austretenden Gasen ermöglicht. Im Bereich der Verdickung wird dabei die auf der Spindelachse etwa senkrecht stehende Achse des Schneckengangprofils beibehalten. Dabei entstehen Schneckengänge eines Querschnitts, der von der günstigen, etwa rechteckigen Form, die eine gute Misch- und Knetwirkung gewährleistet, völlig abweicht. Es geht also im Bereich der kegelförmigen Verdickung die gute Walzwirkung für die Masseteilchen, ferner die Druckführung und die Förderwirkung in erheblichem Maße verloren. Eine wesentliche Vergrößerung des Schneckenspindeldurchmessers durch örtliche kegelförmige Verdickungen ist dessenungeachtet ebenfalls nur mit einer Vergrößerung der Baulänge erreichbar.

In anderem Zusammenhang sind schließlich zur spiralförmigen Ummantelung insbesondere von elektrischen Leitungsdrähten mit unterschiedlich gefärbten Kunststoffmassen bereits scheibenförmige Förderorgane bekannt, die auf beiden Scheibenseiten Schneckengänge besitzen. Diese untereinander nicht verbundenen Schneckengänge auf beiden Scheibenseiten fördern den am äußeren Schneckenrand in bereits hinreichend plastifiziertem Zustand aufgegebenen, unterschiedlich gefärbten Isolierstoff zur durchbohrten Scheibenachse, durch die sich der zu umhüllende Draht bewegt. Eine solche Vorrichtung mit gleichgerichteter Förderung der Masse auf beiden Scheibenseiten konnte für sich allein keine Anregung geben, in welcher Weise eine Schneckenpresse großer Baulänge unter Beachtung der obengenannten technologischen Bedingungen verkürzt werden könne. Es war insbesondere nicht ohne weiteres zu erwarten,

309 537/326

daß bei unterschiedlicher Förderrichtung an einer auf beiden Seiten mit Schneckengängen besetzten rotierenden Scheibe eine ausreichende Förderwirkung durch die ringspaltförmige Engstelle am Scheibenrand zustande koninjt.

Unter Berücksichtigung dieses Standes der Technik geht die Erfindung also aus von einer Vorrichtung zum Kneten, Mischen und Homogenisieren zähflüssiger Stoffe mittels einer in einem geschlossenen Gehäuse rotierenden Förderschnecke, deren Durchmesser bei im wesentlichen konstantem Schneckengangquerschnitt in Förderrichtung zunimmt und nach einer ringspaltförmigen Engstelle wieder abnimmt, und ist dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer an sich bekannten, beidseitig mit spiralförmigen Schneckengängen besetzten Scheibenschnecke die Schneckengänge auf der Eintrittsseite zum Scheibenrand fördernd und auf der Austrittsseite zur Scheibenachse fördernd ausgebildet sind und annähernd rechteckige Quersohnittsform haben und daß eine ringspaltförmige Engstelle durch die Randfläche der Scheibenschnecke und die gegenüberliegende Gehäusewand gebildet wird. In einer solchen Vorrichtung ist das scheibenförmige Förderorgan in axialer Richtung weitgehend druckentlastet.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung sei an Hand der Abbildung beschrieben.

In einem mehrteiligen Gehäuse 1, 2, 3, das im wesentlichen aus einem langen zylindrischen oder halsförmigen Abschnitt und einem kurzen doppelt tellerförmigen Abschnitt wesentlich größeren Durchmessers besteht, ist die Scheibenschnecke 4 drehbar gelagert. Die Scheibenschnecke setzt sich zusammen aus einer Hohlwelle 4 a, die sich über Rollenlager 5 gegenüber dem halsförmigen Abschnitt des Gehäuses abstützt, und einer Vorzügsweise auf beiden Seiten mit spiralförmigen Schneckengängen versehenen Scheibe, die aus zwei fest miteinander verbundenen Stücken 4b, 4 c besteht. Auch der scheibenförmige Teil der Scheibenschnecke ist hohl ausgeführt, so daß ein wärmetragendes Medium durch die Hohlwelle bis in den Bereich des größten inneren Scheibendurchmessers eintreten kann. Zwischen der äußeren, dem Gehäuse zugewandten 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 Scheibensehnecke wird am freien Ende ihrer Hohlwelle 4 a von nicht dargestellten Einrichtungen angetrieben. In der dargestellten Lage werden die aufzubereitenden Stoffe durch die trichterförmige Öffnung 6 der Oberseite 4 b 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 4 c der Scheibe fort. Der äußere Schneckenrand kann glatt sein oder ebenfalls einen wenn auch weniger tiefen Schneckenschnitt erhalten. Der Steigungssinn der Schneckengänge auf der Unterseite 4 c 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 Schnekkengängen 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 durchbrochenen Platte 9 teilweise verschlossen, um die aufbereiteten Stoffe mit bestimmter Formgebung und gegebenenfalls unter Hinzufügung weiterer apparativer Mittel zu konfektionieren. Nach der Entfernung des deckeiförmigen Gehäuseteils 2 läßt sich bei geeigneter Antriebsgestaltung am freien Ende der Hohlwelle 4 α 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 anderen Fällen Wärme zusätzlich zuführen müssen. Neben dem üblichen Wärmetausch durch die Außenwand des Gehäuses leitet man dazu einen flüssigen, dampfförmigen öder gasförmigen Wärmeträger in die Scheibenschnecke ein. Zu diesem Zweck werden im Innern der Scheibenschnecke z. B. durch Trenn- und Leitbleche 10,11 und in der Hohlwelle 4 α durch ein eingesetztes konzentrisches Rohr 12 Kanäle geschaffen, die dem wärmeübertragenden Medium einen bestimmten 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 Einlaufzone in der Nähe des Trichters 6. Die Kühlflüssigkeit nimmt dann den Weg bis in die äußere Randzone des Hohlraumes der Scheibenschnecke, fließt unterhalb der Leitbleche 10,11 zur Achsmitte zurück und tritt durch das Rohr 12 wieder aus der Hohlwelle 4 a aus. Muß den aufzubereitenden Stoffen Wärme zugeführt werden, z. B. bei einer Verwendung der Anordnung als Strangpresse für thermoplastische Massen, so wird das jeweilige wärmetragende Medium durch das Rohr 12 eingeführt, bewegt sich im Gegenstrom zur Förderriehtung des Thermoplasten zunächst mit hoher Temperatur am Ausschiebeort 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 Kühlmittel betrieben, so fließt die durch die eingesetzte Arbeit entstehende Knet- bzw. Reibungswärme von der Unterseite 4 c 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 Einführungsöffnung 6 bis zur Ausstoßöffnung 7 verfahrensmäßig folgende Zustandsänderungen: Bei gleichbleibender Steigung der spiralförmigen Schneckengänge und bei ohne Berücksichtigung des Schneckenprofils parallelen Grenzflächen, zwischen Schneckenober- bzw. Schneckenunterseite einerseits und der Gehäusewandung andererseits vergrößert sich das Volumen des

Misch- und Kneträumes in den einzelnen Schneckengängen mit dem Quadrat des Abstandes von der Drehachse. Der hinter der Einfuhröffnung 6 in den Schnekkengängen 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 die innere Wandung des Gehäuses eingebrachte Nut 15 untereinander verbunden sein, die sich über den ganzen Umfang erstrecken kann.

Bei den beschriebenen Durchlaufverhältnissen ist es nicht unbedingt erforderlich, die Entgasung der Stoffe in der Nähe des größten Umfangs 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 Scheibenschnecke verengt ist und die Stoffe diese Stelle filmartig dünn passieren.

Der Wärmetausch der Stoffe mit den Grenzflächen kann auf der Oberseite der Scheibenschnecke 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.

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 lassen sich durch die Wahl der Spaltbreite zwischen dem Profil des Schneckenschnitts und der Gehäusewandung durch kleinere oder größere Spaltbreiten am äußeren Rand der Scheibe 4 b, 4 c, ferner durch Steigungsänderungen des Schneckenschnitts auf der Ober- und/oder Unterseite der Scheibe zusätzlich ändern. Ausgehend von den beschriebenen Möglichkeiten quadratischer Zustandsänderungen auf der Schneckenober- und -Unterseite, kann man dabei durch graduell unterschiedliche Anwendung kleiner oder großer Spaltbreiten sowie unterschiedlich steigender Schneckenprofilschnitte die Durchlaufverhältnisse des Normaffalls sowohl verkleinern als auch nochmals steigern.

Mit der beschriebenen Vorrichtung lassen sich Kunststoffe bei relativ niederen Temperaturen kneten und plastifizieren, wobei sehr hohe spezifische Knetenergien in die Kunststoffe eingebracht werden. Die Vorrichtung hat sich besonders bei der Verbesserung oder Vergütung von Polyäthylen bewährt. Es wurde ferner festgestellt, daß schlagzähes Polystyrol bei Anwendung der Vorrichtung seine mechanischen Eigenschaften wesentlich verbessert.

Weitere vorteilhafte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich bei der Aufbereitung von keramischen Massen und in der Nahrungsmittelindustrie bei der Herstellung von Teigwaren.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vorrichtung zum Kneten, Homogenisieren und Mischen zähflüssiger Stoffe, insbesondere zum Aufbereiten und Pressen von Thermoplasten, mittels einer in einem geschlossenen Gehäuse rotierenden Förderschnecke, deren Durchmesser bei im wesentlichen konstantem Schneckengangquerschnitt in Förderrichtung zunimmt und nach einer ringspaltförmigen Engstelle wieder abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer an sich bekannten, beidseitig mit spiralförmigen Schneckengängen besetzten Scheibenschnecke (4) die Schneckengänge auf der Eintrittsseite (6) zum Scheibenrand fördernd und auf der Austrittsseite (7) zur Scheibenachse fördernd ausgebildet sind und annähernd rechteckige Querschnittsform haben und daß die ringspaltförmige Engstelle (16) durch die Randfläche der Scheibenschnecke und die gegenüberliegende Gehäusewand gebildet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beidseitig mit Schneckengängen besetzte Scheibenschnecke (4) aus zwei einseitig mit Schneckengängen besetzten Scheibenschnecken (4 b, 4 c) zusammengesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibenschnecke (4b, 4c) hohl ausgeführt ist und daß im Hohlraum (13) Leit- und Trennbleche (10, 11) derart angebracht sind, daß sie einem axial durch die hohle Antriebswelle zu- und abgeführten wärmeübertragenden Medium einen radialen Strömungsweg entlang den Innenflächen der Scheiben (4 b, 4 c) vorschreiben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeübertragende Medium im Gleich- oder Gegenstrom zum Fließweg des Arbeitsgutes leitbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randfläche der Scheibenschnecke (4) glatt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randfläche der Scheibenschnecke mit Schneckengängen besetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch in den Arbeitsraum mündende Gehäusebohrungen (14) zur Abführung von Gasen und Zuführung von Zusatzstoffen.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 822 261, 907 346; USA.-Patentschrift Nr. 1 320 718.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 309· 537/326 2.63