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Verfahren zur Herstellung eines Granulates aus thermoplastischen,
bei der Polymerisation in Form einer Schmelze anfallenden polymeren Stoffen Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Granulates aus thermoplastischen,
bei der Polymerisation in Form einer Schmelze anfallenden polymeren Stoffen, bei
dem die polymeren Stoffe in geschmolzenem Zustand in Form eines Stranges oder Stabes
aus einer Auspreßöffnung in eine auf das geschmolzene Polymere einen hydrostatischen
Druck ausübende Kühlflüssigkeit ausgepreßt und in dieser quergeschnitten werden.
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Bei der Verarbeitung von thermoplastischen Stoffen, z. B. beim Spritzgußverfahren
oder Formpressen, ist es wichtig, daß die zu verarbeitenden Stoffe aus möglichst
gleichförmigen Teilchen, d. h.
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Teilchen gleicher Größe und Dichte, bestehen.
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Werden nämlich derartige Massen in Spritzgußvorrichtungen oder Strangpressen
verarbeitet, so müssen sie zunächst in einen plastischen Zustand übergeführt werden.
Dies erfolgt im allgemeinen dadurch, daß die Teilchen mittels eines Extruders durch
eine heiße Schmelzzone geführt werden. Werden nun thermoplastische Massen verwendet,
deren Teilchen eine sehr verschiedene Größe aufweisen, so werden die kleineren Teilchen
bedeutend stärker erwärmt als die größeren Teilchen. In manchen Fällen können die
kleineren Teilchen bereits vollständig aufgeschmolzen sein, während die größeren
Teilchen lediglich an ihren Oberflächen weich geworden sind.
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Unter diesen Bedingungen hergestellte Formkörper weisen große Unterschiede
in ihrer Zugfestigkeit, Zähigkeit und dem Aussehen auf Es sind verschiedene Verfahren
bekannt, nach denen Teilchen der gewünschten Gleichförmigkeit hergestellt werden
können. Bei diesen bekannten Verfahren werden beispielsweise zunächst Platten, Stäbe
oder Bänder gegossen oder gezogen. Anschließend werden dieselben gekühlt und daraufhin
zu Teilchen der gewünschten Form zerschnitten.
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Diese Verfahren erfordern jedoch eine komplizierte Vorrichtung. Auch
hängt der Erfolg dieser Verfahren sehr von den verwendeten polymeren Stoffen ab.
Bei Anwendung dieser Verfahren auf Polyäthylen beispielsweise wird ein Granulat
aus Teilchen von stark abweichender Größe und verschiedenem Schüttgewicht erzeugt.
Wird Polyäthylen ohne Anwendung von hohen Drucken durch Erhitzen in einen fließfähigen
Zustand gebracht, der gerade für die Durchführung eines Strangpreßverfahrens ausreicht,
so ist es zu flüssig und zu klebrig, als daß es unmittelbar nach Austritt aus dem
Extruder zu Teilchen zerschnitten werden könnte. Versuche, derart klebrige, plastische
Massen zu zerschneiden, zeigten, daß die geschmolzenen Teilchen aneinander und an
der
Schneidevorrichtung haften blieben und verklebten.
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Es ist ferner, z. B. aus der belgischen Patentschrift 531561, ein
Verfahren zur Herstellung eines Granulates aus thermoplastischen polymeren Stoffen
bekannt, bei dem die z. B. durch Polymerisation hergestellten thermoplastischen
Polymeren nach Aufschmelzen in Form eines Fadens oder einer Stange aus einer Auspreßöffnung
in eine Kühlflüssigkeit ausgepreßt werden, worauf der Faden oder die Stange unmittelbar
an der Auspreßöffnung während des Eintauchens in die Flüssigkeit und bevor sie in
den festen Zustand abgekühlt sind, quergeschnitten werden. Bei den bei dem bekannten
Verfahren als Ausgangsstoffe eingesetzten thermoplastischen Polymeren handelt es
sich um von Gaseinschlüssen freie Polymere, d. h. solche Polymere, die nach ihrer
Herstellung zunächst auf Atmosphärendruck entspannt worden sind.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines
Granulates aus thermoplastischen, bei der Polymerisation in Form einer Schmelze
anfallenden Stoffe, das gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem die polymeren
Stoffe in geschmolzenem Zustand aus einer Auspreßöffnung in eine auf das geschmolzene
Polymere einen hydrostatischen
Druck ausübende Kühlflüssigkeit ausgepreßt
und in dieser quergeschnitten werden, noch weitere Vorteile bietet.
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Das Verfahren der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Gas
einschlüsse enthaltendes polymeres thermoplastisches Material direkt aus einem Polymerisationsautoklav
in die Flüssigkeit ausgepreßt wird, deren hydrostatischer Druck größer als der Druck
der eingeschlossenen Gase ist, und daß die Teilchen so lange unter dem hydrostatischen
Druck der Flüssigkeit gehalten werden, bis sie abgekühlt und erstarrt sind.
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Im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren wird beim Verfahren
der Erfindung somit ein thermoplastisches Polymer direkt nach der Herstellung im
Autoklav in ein Granulat übergeführt.
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Das Verfahren der Erfindung läßt sich in besonders vorteilhafter
Weise durchführen, wenn als polymeres thermoplastisches Material Gaseinschlüsse
aus Äthylen enthaltendem Polyäthylen und als Kühlflüssigkeit Wasser verwendet wird.
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Abgesehen von der Herstellung von Granulaten aus Polyäthylen und
Polyäthylenmischungen eignet sich das Verfahren der Erfindung jedoch auch zur Herstellung
von Granulaten aus anderen thermoplastischen Massen, wie z. B. aus Polyvinylchlorid,
Polymethylmethacrylat, Polystyrol und Cellulosederivaten.
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Das Verfahren der Erfindung ermöglicht die Herstellung eines Granulates
aus Teilchen gleicher Größe, gleicher Gestalt, gleicher Zusammensetzung und einheitlichem
Schüttgewicht. Insbesondere läßt sich Polyäthylen in ein Granulat aus gleichförmigen
Sphäroiden überführen. Es lassen sich jedoch auch Granulate aus zylindrischen Teilchen
mit konvexen Stirnseiten herstellen.
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Nach dem Verfahren der Erfindung kann z. B. ein Polyäthylengranulat
unter der Oberfläche einer inerten Flüssigkeit hergestellt werden, wobei eine Oxydation
und eine Verschmutzung des Granulates vermieden und ferner verhindert wird, daß
das in den Polyiithylenteilchen gelöste Äthylen die Teilchen durch Ausgasen aufreißt
oder aufbläht.
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Das Verfahren der Erfindung kann in vorteilhafter Weise in einer
Vorrichtung durchgeführt werden, in welcher das thermoplastische Material, z. B.
Polyäthylen, in einer schmalen zylindrischen Leitung einem Formstück zugeführt wird,
das eine größere Anzahl von kreisförmig in der Stirnseite des Form stückes angeordneten,
kreisrunden Formdüsen aufweist. Von den Formdüsen werden die geformten plastischen
Stäbe durch entsprechende Öffnungen einer Schneidplatte gepreßt, die mit Dampf beheizt
werden kann. Die heißen Stäbe gelangen aus der Schneidplatte kontinuierlich in eine
mit Wasser gefüllte, vertikale Kammer, in der sie unter Wasser mittels auf einem
Schneidkopf angeordneter, umlaufender Messer kontinuierlich zu Teilchen zerschnitten
werden. Der Schneidkopf sitzt auf einer Hohlwelle, durch die Wasser gedrückt wird,
so daß die frisch geschnittenen Teilchen von den Schneidmessern und der Schneidplatte
weggeschwemmt werden.
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Besitzen die Teilchen ein geringeres spezifisches Gewicht als Wasser,
wie beispielsweise im Fall von Polyäthylenteilchen, so steigen sie in den oberen
Teil der wassergefüllten Kammer auf. Mit dem oberen Teil der vertikalen, wassergefüllten
Kammer steht
ein ebenfalls Wasser enthaltendes, horizontales Becken in Verbindung.
Am Austrittsende des hortzontalen Beckens ist eine wehrartige Fangbühne angeordnet,
über die kontinuierlich ein dünner Wasserlauf aus dem horizontalen Becken fließt.
Dieser schmale Wasserlauf führt die heißen Granulatteilchen aus dem horizontalen
Becken und führt sie einem endlosen Gurt oder Vibrationsrost zu. Das Wasser fließt
durch den Gurt oder den Rost zu einer darunter angeordneten Pfanne, von der aus
es wieder in den Kreislauf zurückgeführt werden kann oder einem Abfluß zugeführt
wird.
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Wenn das überschüssige Wasser von dem heißen Granulat durch den Gurt
oder den Rost, -der gegebenenfalls geschüttelt oder in Vibration versetzt werden
kann, abgetropft ist, verdunstet die restliche Feuchtigkeitshaut infolge der in
dem Granulat aufgespeicherten Wärme. Die Temperatur der Granulatteilchen kann an
diesem Punkt des Verfahrens durch Einstellung der Wassertemperatur in dem System
und/ oder der Temperatur der Extrusionsvorrichtung eingestellt werden. Gegebenenfalls
kann das auf dem Gurt oder Rost trocknende Granulat zusätzlich mittels Heißluft,
Infrarotlampen, Dampfschlangen oder Widerstandsheizern, die in der Nähe des geförderten
Granulates angeordnet sind, beheizt werden. Das trockene Granulat kann dann, gegebenenfalls
nach Passieren einer Sortiervorrichtung, einerVerpackungsvorrichtung zugeführt werden.
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Da das Polyäthylen, das aus dem Polymerisationsreaktor unmittelbar
der Granulierungsvorrichtung zugeführt wird, gasförmiges unpolymerisiertes äthylen
verteilt enthält, würde das Äthylengas die geschnittenen Teilchen auftreiben und
diese in eine unerwünschte Form und Struktur und im extremen Fall in eine Puffmaisform
bringen, wenn auf die Teilchen nicht ein Druck ausgeübt würde, der größer ist als
derjenige des in den Teilchen vorhandenen Äthylengases.
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Wird beispielsweise Polyäthylen einem Niederdruckabscheider bei einem
Druck von etwa 1,14 bis etwa 2,4 kg/cm2 entnommen und einer Schneidplatte zugeführt,
auf die ein Wasserdruck einwirkt, der unter dem Druck des ethylens in den Teilchen
liegt, so zerplatzen die Teilchen infolge der Ausdehnungskraft des eingeschlossenen
Ethylens.
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Die Teilchen müssen des weiteren so lange auf einem Druck gehalten
werden, der über dem Druck des eingeschlossenen Ethylens liegt, daß sie so weit
fest werden, daß eine Blasenbildung nicht mehr möglich ist. Da die Polyäthylenteilchen
nach oben schwimmen, muß die Wassersäule über den Teilchen nicht nur so hoch sein,
daß der erforderliche Druck zum Zeitpunkt des Schneidvorganges ausgeübt wird.
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Vielmehr muß dieser Druck auch noch oberhalb der Schneidvorrichtung
auf die Teilchen ausgeübt werden, und zwar bis zu einem Zeitpunkt, zu dem die aufwärts
steigenden Teilchen so fest geworden sind, daß eine Bildung von Blasen in den Teilchen
vennieden wird. Das im Inneren der Teilchen eingeschlossene Äthylengas kann dann
später ausdiffundieren, ohne die Form der Teilchen zu verändern.
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In der Zeichnung sind eine Vorrichtung zur durch führung des Verfahrens
der Erfindung sowie bestimmte Vorrichtungsteile dargestellt. (Für die Vorrichtung
wird hier kein Schutz beansprucht.) Es zeigt Fig. 1 einen Querschnitt durch eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung,
Fig.
2 eine Ansicht des Schneidkopfes längs der Linie 2-2 von F i g. 1, F i g. 3 eine
Stirnansicht einer Schneidplatte, Fig.4 eine Queransicht eines typischen Polyäthylengranulatteilchens,
wie es beim Verfahren der Erfindung anfällt.
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Die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung besteht im wesentlichen
aus der Extruderform 10, die durch Heizelemente 11 und 12 beheizt wird. Die Extruderform
10 weist eine Eintrittsöffnung 13 auf, in der ein Sieb 14 und ein Konus 15 sitzen.
Der Konus 15 ist auf die Eintrittsöffnung 13 zentriert und bildet mit den umgebenden
Wänden der Form 10 eine zylindrische Öffnung 16. An der Form 10 ist mittels mehrerer
Bolzen, von denen zwei mit 19 und 21 dargestellt sind, eine Formplatte 17 mit einer
größeren Anzahl von runden Öffnungen 18 befestigt. Der Durchmesser des von den Öffnungen
18 umschriebenen Kreises entspricht dem Durchmesser der zylindrischen Öffnung 16.
Die Öffnungen 18 sind so angeordnet, daß sie mit der zylindrischen öffnung 16 fluchten.
An der Form 10 ist ferner mittels Bolzen, von denen zwei mit 23 und 24 bezeichnet
sind, eine Schneidplatte 22 befestigt, die von der Formplatte 17 durch das Isolierungsglied
20 isoliert ist. Dieses Glied 20 kann ein Dichtungsring aus Asbest sein, dessen
Öffnungen mit den Öffnungen der Formplatte und der Schneidplatte übereinstimmen.
Besitzt die Schneidplatte eine andere Temperatur als die Form 10, so verhindert
das Dichtungsglied 20 einen Wärmefluß von der Schneidplatte zur Form 10. In der
Schneidplatte 22 sind Heizkammern 26 vorhanden, in die Dampf durch die Leitung 27
eingeleitet werden kann und aus denen das Kondensat durch die Leitung 28 abfließen
kann.
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Wie genauer in Fig. 3 dargestellt ist, weist die Schneidplatte 22
ebenfalls eine größere Anzahl von Öffnungen 29 auf, die hinsichtlich ihrer Anzahl
und ihres Durchmessers den Öffnungen 18 der Formplatte 17 entsprechen und deren
axiale Lage derart ist, daß sie mit den Öffnungen 18 der Formplatte 17 fluchten.
Die aufgeheizte Schneidplatte 22 bewirkt ferner, daß ein »Erstarren« der ausgezogenen
Stäbe in der Schneidplatte und in der Formeinrichtung verhindert wird, wenn die
Vorrichtung stillgesetzt wird, da das Kühlwasser in der benachbarten Kammer 45 ein
Erstarren des plastischen Materials verursachen würde.
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Wie sich ferner aus F i g. 1 ergibt, weist die Vorrichtung einen
Schneidkopf 31, der genauer in F i g. 2 dargestellt ist, mit vier mit Federn versehenen
Messern 32, 33, 34 und 35 auf, von denen in F i g. 1 zwei dargestellt sind. Der
Schneidkopf 31 sitzt auf einer hohlen Welle 36. Die Messer sind derart angeordnet,
daß sie durch die Federn 25 an die Stirnfläche der Schneidplatte 22 gedrückt werden.
Bei ihrem Umlauf streichen die Messer an den Öffnungen 29 in der Schneidplatte 22
vorbei. Die Welle 36 weist einen Kanal 37 auf, der in eine Düse 38 mündet. An das
Ende der Welle 36 wird zweckmäßig bei 39 eine Wasserleitung angeschlossen. Das Wasser
wird dann bei entsprechendem Druck aus der Düse 38 gegen die Stirnfläche der Schneidplatte
22 gedrückt. Die Welle 36 ist in entsprechenden Halterungen 41 und 42, die auf dem
Träger 43 angeordnet sind, gelagert und kann beispielsweise durch einen Treibriemen
44 durch entsprechende, nicht dargestellte Antriebsmittel in Drehung versetzt werden.
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Die Stirnseite der Schneidplatte 22 und der Schneidkopf 31 mit seinen
Messern sind, wie in F i g. 1 dargestellt ist, in einer sich vertikal erstreckenden,
wasserdichten Kammer 45 angeordnet. Die Antriebswelle 36 erstreckt sich durch eine
Wand der Kammer 45. Auf der Welle 36 sitzt eine Dichtung 46, die einen Wasseraustritt
aus der Kammer 45 verhindert. Der untere Abschnitt der Kammer 45 mündet in ein Abzugsrohr
47, das durch einen nicht dargestellten Hahn oder ein Ventil geöffnet oder geschlossen
werden kann. Das Abzugsrohr 47 dient zur Reinigung der Kammer 45. Der obere Teil
der Kammer 45 ist mit einer sich horizontal erstreckenden, wasserdichten Kammer
48 verbunden, deren eines Ende, abgesehen von einer wehrartigen Staubühne 49, offen
ist. Unterhalb der Staubühne 49 befindet sich ein endloser Gurt 51, der iiber Trommeln
läuft, von denen eine bei 52 dargestellt ist. Unterhalb des Gurtes 51 ist eine Auffangschale
53 angeordnet, die eine Abzugsleitung 54 aufweist, um das über das Wehr fließende
Wasser abzuführen. Der Gurt kann mittels nicht dargestellter, üblicher Mittel in
Vibration versetzt werden, um das Abtropfen des Wassers von den Granulatteilchen
zu unterstützen.
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Das Formstück 10 ist mit einem Extruder oder einer Zahnradpumpe,
die nicht dargestellt sind, verbunden, die das heiße thermoplastische Material kontinuierlich
der Öffnung 13 aus dem Polymerisationsreaktor zuführen.
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Die bevorzugte Extrusionstemperatur hängt vom Typ des verwendeten
plastischen Materials ah. Bei Polyäthylen hängt sie zum Teil von der Zähigkeit der
Schmelze ab. Bei Polyäthylen können in der zur Erzeugung des Granulates verwendeten
Vorrichtung Tempraturen von 121 bis 2600 C, vorzugsweise 177 bis 2320 C, angewandt
werden. Diese Temperaturen liegen im allgemeinen in einem Bereich, in dem ein ausreichender
Fluß des polymeren Materials ohne Aufwand übermäßiger Drucke gewährleistet ist und
in dem die Teilchen vor dem Erhärten die erwünschte sphäroidale Gestalt annehmen.
Höhere Temperaturen sind unzweckmäßig, da sie für das plastische Material schädlich
sind und da ein Schneiden ohne Schmieren um so schwieriger wird, um so flüssiger
die Masse wird. Zu niedrige Temperaturen erschweren das Auspressen des plastischen
Materials, vermindern die Möglichkeit, daß die Teilchen von selbst trocknen, und
können Schwankungen in der Dichte zur Folge haben.
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Die- optimale Wassertemperatur hängt im wesentlichen von der Extrusionstemperatur,
von der Extrusionsgeschwindigkeit und der Strömungsgeschwindigkeit des Wassers sowie
vom Typ des zu granulierenden plastischen Materials ab. Das Wasser muß so kalt sein,
daß die Oberschicht der Teilchen rasch erhärtet und daß ein Klebrigwerden und Zusammenbacken
der Teilchen vermieden wird.
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Die Teilchen sollen jedoch andererseits nicht so rasch abgekühlt
werden, daß sie nicht die erwünschte Form annehmen können und daß in ihnen nicht
genügend innere Wärme für den Selbsttrocknungsvorgang verbleibt.
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Die Wasserströmung oder die Turbulenz des Wassers sollte so groß
sein, daß die Teilchen von den Messern weggeschwemmt werden und daß die geschnittenen
Teilchen über das Wehr gefördert werden.
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Gegebenenfalls kann die durch die Schneidwelle hervorgerufene Wasserströmung
durch Wasserströme
unterstützt werden, die in der Umgebung des Bodens
der Kammer 45 durch das Rohr 40 oder in die Wassersäule oberhalb der Schneidvorrichtung
durch das Rohr 50 eingeführt werden. Das an den verschiedenen Punkten eingeführte
Wasser kann ver schiedene Temperaturen besitzen. So kann beispielsweise das Wasser
in der Schneidkammer auf einer geringeren Temperatur gehalten werden, um eine rasche
anfängliche Kühlung zu erzielen, während die Temperatur der horizontalen Wassersäule
höher sein kann, um den Trocknungsvorgang zu erleichtern.
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Bei der Herstellung von Polyäthylengranulat wurden Wassertemperaturen
von 10 bis 710 C angewandt, wobei sich in der Nähe der Schneidvorrichtung Temperaturen
von 21,1 bis 520 C und in der horizontalen Wassersäule Temperaturen von 79,5 bis
990 C als vorteilhaft erwiesen haben.
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Die Anwendung von sehr geringen Schneidgeschwindigkeiten hat sich
nicht bewährt. Vorzugsweise werden höhere Geschwindigkeiten angewandt, da hierbei
ein glatter Schnitt entsteht und die Teilchen schneller von den Messern weggeschleudert
werden.
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Außerdem wird eine Art Flügelpumpenwirkung erzielt, die die Wasserströmung
steigert und die Teilchen aus der Schneidezone wegführt, insbesondere, wenn die
Messer in einem Winkel zueinander eingesetzt sind. Bei niedrigen Geschwindigkeiten
können die Teilchen in der Schneidezone zusammenkleben und größere Partikel bilden
und im Extremfall auch die Schneidvorrichtung blockieren. Als vorteilhaft haben
sich Umlaufgeschwindigkeiten der Welle von 100 bis 2000 U/min erwiesen. Die Schneidgeschwindigkeit
kann der Extrusionsgeschwindigkeit angepaßt werden, um die erwünschte Granulatgröße
zu erzielen. Der die Schneidwelle antreibende Motor kann getrennt von dem den Extruder
antreibenden Motor eingestellt werden.
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In der Wand der Kammer 45 kann im übrigen ein nicht dargestelltes
Fenster angeordnet sein, das der Überwachung der Vorrichtung dient.
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Wird ein Granulat aus einer thermoplastischen Masse hergestellt,
deren spezifisches Gewicht größer als Wasser ist, so kann auf dem Boden der wassergefüllten
Kammer 45 ein endloser Fördergurt angeordnet werden, um die Granulatteilchen durch
das Wasser nach oben und aus der Granulierungsvorrich-
tung zu fördern. Der Fördergurt
kann andererseits aber auch in der Weise angeordnet werden, daß er Granulatteilchen,
die schwerer sind als das Wasser, vom Boden der wassergefüllten Kammer 45 wegfördert.
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Die Größe der Granulatteilchen kann innerhalb bestimmter Grenzen
verändert werden, ohne daß die Größe der Formöffnungen verändert werden muß.
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Die Veränderung der Größe der Teilchen kann erreicht werden, indem
das Verhältnis zwischen der Extrusionsgeschwindigkeit und der Schneidgeschwindigkeit
verändert wird, so daß die abgeschnittenen Teilchen mehr oder weniger Masse aufweisen.