DE1779772A1 - Strangpresse fuer Visko-elastische Kunststoffe und Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen solcher Kunststoffe - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE

{.ing. II. XEGENDANK · dipl-ing. H. HAUCK · dipl.-phys. W. SCHMITZ

HAMBURG-MÜNCHEN ZUSTE LLUNGSA NSCHRIFT: H AMBURG 36 · NEUER WALL il

TKL. »β 74 38 UND 36 41 15 OWMS-IIIlINOIS, IITO. TEI.KGH. NKQBDAFATENT HAMBURG

MÜNCHEN 15 ■ MOZARTSTR. 23

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TELEUR. NEOEOAPATENT MÜNCHEN

Toledo, OMo / USA

Hamburg, 23. Sept. 1968

Strangpresse für visko-elastische Kunststoffe und Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen solcher Kunststoffe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Strangpresse für visko-elastische Kunststoffe insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen von Kunststoff unter geregelten und gleichbleibenden Scher- bzw. Schubspannungen.

Es ist kürzlich ein neuer Typ einer Plastifizierungs-Strangpresse entwickelt worden, der allgemein als "elastic melt extruder" bekannt geworden ist, zur Erfüllung der Funktionen einer üblichen Plastifizierungs-Strangpresse macht er von der "Hormalkraftwirkung" Gebrauch, d.h. von der Kraft, die sich normalerweise entwickelt, wenn ein visko-elastisches Material zwischen einer umlaufenden Platte (Rotor) und einer stationären Platte (Stator) Scherkräften ausgesetzt wird.

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Eine solche Strangpresse ist in "Modern Plastic Magazine" von Oktober 1959, auf S. Io7, in einem Artikel von Bryce Maxwell und Anthony J. Scalora beschrieben.

Eine Strangpresse für visko-elastische Kunststoffe weist eine kraftgetriebene, rotierende Scheibe (Rotor) in einer Kammer auf, welcher fester Kunststoff von einem Zuführtrichter oder dgl. zugeführt wird. Ein schmaler Spalt trennt eine radiale Fläche dieser Scheibe von der entsprechenden Fläche einer Austrittsöffnungsscheibe (Stator), deren Austrittsöffnung axial mit der rotierenden Scheibe fluchtet. Wenn diese Scheibe rotiert, wird das an ihrem Umfang eingeführte und zwischen den radialen Flächen dieser Scheibe und der Austrittsöffnungsscheibe eingeschlossene visko-elastisdE Material Scherkräften ausgesetzt* Das Material ist im wesentlichen elastisch, und die Neigung des gescherten Materials, sich nach dem bogenförmigen Scheren und Strecken zwischen den radialen Flächen elastisch zu erholen, bewirkt einen Zentripetalfluss des Materials zwischen der Rotorscheibe und der Statorscheibe in Richtung auf die zentrale Austrittsöffnung zu, und das Material tritt in plastifiziertem Zustand unter ¹TUCk aus der Austrittsöffnung aus.

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Die Ausstossgeschwindigkeit einer Elastifizierungs-Strangpresse ist abhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher die Scherbeanspruchung im Spalt der Scherzone durchgeführt wird. Die Scherzone wird durch den axialen Spalt zwischen den radialen Flächen der Rotorscheibe und der Statorscheibe gebildet. Die Scherbeanspruchung ist direkt proportional der Oberflächengeschwindigkeit der Scheibe und umgekehrt proportional zur Spaltbreite.

Bei oberflächlicher Betrachtung sollte sich also die Ausstossgeschwindigkeit lediglich durch eine Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit erhöhen lassen. Eine solche Erhöhung der Geschwindigkeit führt jedoch oberhalb bestimmter Grenzen zu einem thermischen Abbau des visko-elastischen Materials Infolge der viel grösseren Oberflächengeschwindigkeit des Rotors am Aussenumfang. Die daraus resultierende Erhöhung der auf das Material ausgeübten Scherkraft und die im Material entwickelte grössere Wärme sdfczt der Möglichkeit der Erhöhung der Ausstossgeschwindigkeit durch Beschleunigung des Rotorumlaufs eine bestimmte Grenze.

Eine Verkleinerung des Spaltes zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht die Scherbeanspruchung oder Scherkraft,

verkleinert jedoch den Durchflussweg des plastifizieren Materials zur Austrittsöffnung und verringert somit d^n Ausstoss. wenn der Spalt von durchgehend konstanter Br-eite wäre, dann hätte die Scherbeanspruchung ihren höchsten Viert am Aussenumfang des Rotors und ihren niedrigsten Wert am Mittelpunkt des Rotors infolge der geringeren Oberflächengeschwindigkeit der Scherplatte im Mittelpunkt. Eine Erhöhung der Spalfbreite angrenzend an die Strangpressöffnung öffnet den Durchflussweg und erhöht zwar den Ausstoss der Strangpresse unter den richtigen Bedingungen, aber setzt auch Scherkraft herab. Es ist somit offensichtlich, dass der Ausstoss der gegenwärtig gebräuchlichen Strangpressen für visko-elastische Schmelzen durch den thermischen Abbau und andere mit dem bei höheren Rotorgeschwindigkeiten vorhandenen Scherbeanspruchungsgradienten zusammenhängenden Schmelzunregelmässigkeiten begrenzt ist.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Strangpresse mit Rotor und Stator besteht darin, dass die Scherkraft oder Schubspannung der Schubspannungswert nicht einer unabhängigen Veränderung unterliegen. Dieses stellt bei bestimmten Thermoplasten die zur Homogenisierung höhere Scherkräfte erfordern und bei hohen Scherkräften temperaturempfindlich sind, eine schwerwiegende Begrenzung des Betriebes dar.

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Im Hinblick auf die obigen Ausführungen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Strangpresse für viskoelastische Kunststoffe nib erhöhter Ausstosskapazität zu schaffen.

Hierzu gehört eine Vorrichtung zum Schmelzen, Plastifizieren und Strangpressen von visko-elastischem Material unter geregelten Bedingungen gleichbleibender Scherbeanspruchung.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Strangpressen von visko-elastischen Polymerisaten unter den Bedingungen gleichbleibender Scherbeanspruchung, die in einem Spalt zwischen den Plächen zweier paralleler Plattenherrschen, welche nicht-koaxial miteinander fluchten und in derselben Richtung und mit gleichen Winkelgeschwindigkeiten umlaufen.

Bei dem Strangpressverfahren für Thermopiat gemäss der Erfindung unterliegen die Scherspannung und der Scherspannungswert unabhängiger Veränderung.

Die Strangpressvorrichtung für visko-elastische Kunststoffe bedient sich der normalen Krait, die in einem zwischen den

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Flächen zweier paralleler jedoch nicht-konzentrischer, umlaufender Scheiben eingeschlossenen KuBtstoff vorhanden ist, um den Kunststoff unter einem geregelten Schubspannungswertgradienten durch eine in einer der beiden umlaufenden Scheiben in der Mitte angeordnete Öffnung strangzupressen.

Biese sowie weitere Merkmale und '/orteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Zeichnungen vorgenommen wird, hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schnitt,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch die Strangpresse nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der Fig. 2.

Bevor die Erfindung im einzelnen erläutert wird, sei darauf hingewiesen, daes die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Einzelheiten

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der Konstruktion und der Anordnung begrenzt ist, da die Erfindung auch in anderer Form zur Ausführung gelangen und auf verschiedene Weisen praktisch durchgeführt werden kann. Ss sei aucl/darauf hingewiesen, dass die hier benutzte Ausdrucksweise und Termindogie lediglich der Beschreibung und nicht der Begrenzung dient.

Fig. 1 zeigt eine allgemein mit Io bezeichnete Strangpresse für elastische Schmelzen. Die Bezeichnung "Strangpresse" bezieht sich, in dieser Anmeldung angewendet, auf eine Vorrichtung zum Plastifizieren von feinzerteiltem festem Kunststoff, d.h.überführen in einen nicht-festen, erwärmten, fliessf-ähigen Zustand, und zum Abgeben dieses Materials unter Druck zur weiteren Verwendung und/oder zur weiteren Verarbeitung zum Formen eines fertigen Gegenstandes durch wohlbekannte Verfahren, wie z.B. das Spritzgussverfahren, Rohroder Strangziehen, Blasformen und dgl.

Die Strangpresse Io umfasst ein Aussengehäuse 11, welches axial voneinander auf Abstand gehaltene, sich gegenüberstehende vordere und hintere umlaufende Elemente (Rotors) oder Scheiben 12 bzw. 13 enthält. Die einander gegenüber-

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stehenden Scheiben 12 und 13 sind im wesentlichen parallel. Auf der oberen Aussenseite des Gehäuses 11 ist ein Zuführtrichter 14 angeordnet, der das feinzerteilte thermoplastische Material enthält. Der Trichter 14 steht über eine Trichteröffnung 15 mit dem Inneren des Gehäuses 11 in Verbindung.

In dem Gehäuse ist das hintere umlaufende Element 13 in Form einer umlaufenden Scheibe angeordnet. Diese Scheibe 13 hat einen kreisförmigen Umfang und eine planare Fläche 16. Die umlaufende Scheibe 13 wird durch eine axial nach hinten vorstehende Antriebswelle 17 angetrieben, die sich durch eine Öffnung hinten im Gehäuse erstreckt und darin gelagert ist. Die Welle 17 ist mit einer radial spiralförmigen Schnecke 18 versehen, die eng in dem mit der Trichteröffnung 15 in Verbindung stehenden Abschnitt des Gehäuses anliegt. V/ahlweise kann das visko-elastische Material von einem direkt mit dem Scherspalt in Verbindung stehenden Trichter direkt ohne die Mithilfe einer Förderschnecke zugeführt werden. Das Ende der Welle 17 ragt hinten aus dem Gehäuse heraus und ist mit einem Elektromotor 4o verbunden, der die Welle 17 in der richtigen Richtung

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in Umdrehung versetzt, so dass die Schnecke veranlasst wird, den Kunststoff kontinuierlich von der Trichtereinführöffnung 15 in Richtung auf die umlaufenden Elemente Ic. und 13 vorwärtszubewegen.

Das vordere umlaufende Element 12 hat ebenfalls die Form einer Scheibe und eine planare Fläche 2o, die der Fläche 16 der Scheibe 12 zugewendet ist. Das umlaufende Element 12 wird durch eine axial nach vorn ragende Antriebe/eile 21 angetrieben, die sich durch eine Öffnung· in der Torderseite des Gehäuses 11 erstreckt und darin gelagert ist. Die Antriebswelle 2o endigt anstossend an das Zahnrad 41, welches von dem Antriebsrad 42 angetrieben wird. Das Antriebsrad 42 ist an einen zweiten Elektromotor 43 angeschlossen, der auf der Grundplatte 48 angeordnet ist und wird von ihm angetrieben. Wahlweise kann auch ein einziger Motor zum Antrieb der V/ellen 17 und 21 benutzt werden. In den Zeichnungen sind die planaren Flächei/der umlaufenden Elemente 12, 13 verschieden gross gezeigt. Die Grosse sowie das Grössenverhältnis dieser Flächen können beliebig gewählt werden, im allgemeinen werden sie durch die Konstruktion des Strangpressengehäuses bestimmt.

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Die planare Fläche 2o ist bei 22 mit einer zentralen Öffnung versehen, die mit einem Austrittsöffnungsrohr 23 fluchtet, das zentrisch in der Antriebswelle 21 angeordnet ist. Das Austrittsöffnungsrohr 23 bildet einen inneren Kanal zur Verbindung mit der Scherzone 191 welche entsprechend der nachfolgenden Beschreibung durch die planaren Fladen 16 und 2o begrenzt und zwischen ihnen angeordnet ißt.

Das Austrittsöffnungsrohr 23 weist eine Düse 25 auf, durch welche das stranggepresste Material 44 ausgepresst wird.

Von der Düse 25 aus wird das stranggepresste Material zweckmässig in bekannter Weise zu Gegenständen verformt.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass die planare Fläche 16 des umlaufenden Elements 15 mit Abstand der umlaufenden Fläche 2ο des umlaufenden Elementes 12 zugewendet ist und nicht-konzentrisch oder nicht-axial mit diesem fluchtet. Die Scherzone oder der Spalt 19 ist der Raum, der zwischen den beiden Flächen vorhanden ist. Natürlich erfährt das viskoelastische Material bei seinem Fliessen zur Scherzone in Kontakt mit dem stationären Gehäuse eine gewisse ungleichmassige Scherbeanspruchung. Diese Beanspruchungen sind aber im Vergleich zu den in der Scherzone entwickelten Beanspruchungen unbedeutend. Die hier beschriebene Strangpresse

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ist nur eine Rotor/Rotor-Strangpresse im Gegensatz zu den bekannten Rotor/Stator-Strangpressen.

Die i^unktionsprinzipien der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, die in Verbindung mit den Pig. 2 und 3 vorgenommen wird, deutlicher hervor.

In der Rotor/Rotor-Strangpresse gemäss der Erfindung ist die Scherbeanspruchung oder Schubspannung pro Umdrehung proportional.

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wobei, A der radiale Abstand zwischen den Umlaufachsen

der beiden umlaufenden Elemente, und T der axiale Abstand zwischen den beiden umlaufenden Elementen ist.

Die Scherbeanspruchung oder Schubspannung wird dann durch swei Faktoren geregelt.

(l) Der eine Paktor ist der radiale Abstand zwischen den Umlaufachsen der beiden Rotoren, wobei die

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Scherbeanspruchung rait zunehmender Radialverschiebung zunimmt.

(2) Der zweite Paktor ist der axiale Abstand zwischen dem Rotor, wobei die Scherbeanspruchung mit abnehmender Axialverschiebung zunimmt.

Der Scherbeanspruchungswert ist dann proportional zu:

wobei A und T dieselbe Bedeutung haben wie oben, und u) die Tvinkelgeschwindigkeit (d.h. UpM) ist.

Die Scherbeanspruchung wird dann durch die Winkelgeschwindigkeit der Rotoren geregelt, wobei der Scherbeanspruchungswert mit zunehmender Winkelgeschwindigkeit zunimmt.

Da es zwei unabhängige Veränderliche (d.h. A und T) gibt, die die Schercharakteristik steuern, können die Betriebscharakt er ist ika der Strangpresse so festgelegt werden, dass sie den Eigenschaften des visko-elastischen Stangpressmaterials entsprechen.

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Im Betrieb wird der geregelte Seherbeanspruchungswert dadurch erreicht, dass man das thermoplastische Material in den zwischen den einander zugewendeten Flächen der umlaufenden Scheiben der Rotoren vorhandenen Scherspalt hineinextrudiert, während die Scheiben in derselben Richtung umlaufen.

Da die beiden Rotoren nicht-konzentrisch sind und in derselben relativen Richtung umlaufen, wird der Seherbeanspruchungswert bzw. die Schubspannung wie oben beschrieben durch drei Faktoren, und der Schubspannungsgradient wird durch einen Faktor bestimmt. Der Schubspannungsgradient wird im folgenden diskutiert.

Das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Rotoren bestimmt den Schubspannungsgradienten. Wenn das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten der beiden Rotoren 1 ist (d.h. wenn beide Rotoren mit derselben Drehzahl umlaufen), dann ist der Schubspannungsgradient gleich WuIl. Diese Bedingung wird bei den üblichen Stangpressarbeiten bevorzugt. Der Scherbeanspruchungs- oder Schubspannungsgradient ist gleich Hull» wenn das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten gleich 1 ist, da die einige von dem Material in der

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Seherzone erfahrene Scherkraft durch den radialen Abstand zwischen den Umlaufachsen der beiden Rotoren verursacht wird. Dieses lässt sich unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutern. Es sei der Punkt "a" auf der planaren Fläche 16 und der Punkt"b" auf der planaren Fläche 2o betrachtet. Biese Punkte stehen einander unmittelbar gegenüber. "Wenn die beiden Flächen sich um 18o gedreht haben, dann stehen sich die Punkte a^f und b^f nicht mehr direkt einander gegenüber und sind radial um eine Entfernung proportional dem radialen Abstand zwischen den Dmlaufachsen der beiden Rotoren versetzt. Demzufolge erfährt der Kunststoff zwischen diesen umlaufenden Flächen eine Scherkraft proportional zum Abstand zwischen den Punkten a' und b^f. Demzufolge ist der Sch-erwert- oder Schubspannungsgradient innerhalb der ganzen Scherzone gleich Null, da diese Analyse auf jedes beliebige Paar anfangs einander gegenüberstehender Punkte auf den planaren Flächen Anwendung findet.

Wenn eine Scherbeanspruchung oder ein Schubspannungsgradient erwünscht ist, dann haben die Winkelgeschwindigkeiten der beiden Rotoren ein anderes Verhältnis als 1, wobei der Schubspannungsgradient mit zunehmender Differenz der

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Winkelgeschwindigkeiten der Rotoren zunimmt. !Dadurch, wird der Schubspannungsgradient geregelt.

Aus der obigen Beschreibung geht klar hervor, dass die vorliegende Erfindung ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Strangpressen von thermoplastischem Kunststoff bei vorgegebenen Scherbeanspruchungen unter geregelten Schubspannungsgradienten schafft.

Es ist auch ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung bei wirtschaftlich angewendeten Strangpressverfahren, wo gleichmassige Scherwerte (ScherwertgrsäLenten von Null) bevorzugt werden, besonders vorteilhaft ist.

Während hier verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbart wurden, ist doch für Fachleute auf diesem Gebiet ersichtlich, dass die hier offenbarten Ausführungsformen modifizierbar sind. Die obige Beschreibung ist daher als Beispiel und nicht als Begrenzung aufzufassen.

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Claims (12)

PATENTANWÄLTE DR.ING. H. NEGENDANK · dipl.ing. H. HAUCK · «ipl.-phys. W. SCHMITZ HAMBURG-MÜNCHEN -1 Ί Ί Ο Ί Ί Ί ZUSTELLUNGSANSCHRIFT: HAMBURG 36 ■ _NJEUB_R_WALL 4 1 Jff-. TKL. .36 74 28 UND 364115 OV/EHS-ILLDTOIS, HTC. IBLEOS. MeEDiPATBlfT HAMBURG MÜNCHEN 15 · MOZARTSTR. 23 Toledo, Ohio / USA v-i-v ν/, ν χα. ν / ü TELEGR. NEGEDAPATBMT MÜNCHEN Hamburg, 23. Sept. 1968 Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Strangpressen eines visko-elastisehen Kunststoffs, gekennzeichnet durch die Kombination eines eine innere Kammer bildenden Gehäuses (11) mit zwei in dieser Kammer angeordneten umlaufenden nicht-koaxialen Scherelementen (12, 13), die voneinander auf Abstand gehaltene und einander zugewendete, eine Scherzone (19) bildende Fläche (16,2o) aufweisen, wobei eines dieser Elemente (12) eine Auslassöffnung (22) für das stranggepresste Material aufweist, die mit der Scherzone (19) in Verbindung steht, sowie umlaufende Mittel (17, 4o und 42, 43) zum Drehen dieser Elemente in derselben Richtung, und Mittel (15> 18) zum Heranführen von

visko-elastischem Kunststoff zwischen die einander zugewendeten und voneinander auf Abstand gehaltenen Flächen (26, 2o).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewendeten Flächen (16,2o) die Form kreisförmiger Elemente (12, 13) haben.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

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dass jede der kreisförmigen. Elemente(12, 13) auf einer zylindrischen umlaufenden Welle (17, 21) angeordnet ist und jede der Wellen durch die umlaufenden Mittel (4o, 42, 45) angetrieben wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Heranführung des visko-elastischen Kunststoffes einen durch eine öffnung (15) in dem Gehäuse (11) mit der Kammer in Verbindung stehenden Trichter (14) umfasst.

5* Torrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die otrangpressöffnung ein Austrittsöffnungsrohr (23) umfasst, das sich axial durch die zylindrische ./eile (21) hindureherstreckt.

•S. Vorrichtung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Strangpressdüse (25), die in den Austrittsöffnun^srohr (23) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch o, dadurch gekennzeichnet, dass eine radial auf einer der Wellen (17, 21) angeordnete Schnecke (IS), die mit der Öffnung(15) in Verbindung steht, um beim

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Umlauf der Welle (17) das visko-elastische Material in Richtung auf den Scherspalt (19) vorwärtszubewegen.

8. Strangpresse für visko-elastische Kunststoffe, in welcher Kunststoff durch die visko-elastische Wirkung zwischen den in einem Gehäuse eingeschlossenen Scherelementen plastifiziert und stranggepreßt wird, gekennzeichnet durch zwei nicht-koaxial ausgerichtete umlaufende Scherelemente (12, 13), von denen das eine (12) eine Strangpreßauslaßöffnung aufweist, Mittel zum Drehen (17, 40, 42, 43) der Elemente in derselben Richtung, sowie Mittel zum Heranführen von visko-elastischem Material (14, 15, 18) zwischen zwei einander zugewendeten und voneinander auf Abstand gehaltenen Flächen (16, 20).

9.J Verfahren zum Plastifizieren und Strangpressen von viskoelastischem Kunststoff, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der zwischen den zwei voneinander auf Abstand gehaltenen, einander zugewendeten Flächen zweier nicht-axial ausgerichteter umlaufender Scherelemente gebildeten Scherzone zugeführt wird, die Elemente in derselben Richtung in Umlauf versetzt werden und das visko-elastische Material durch die zwischen den umlaufenden Scherelementen entwickelte visko-elastische Kraft durch eine Auslaßöffnung in einem der Scherelemente stranggepreßt wird.

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10. Verfahren nach. Anspruch. 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente bei derselben Winkelgeschwindigkeit umlaufen.

11. Verfahren zum Strangpressen eines visko-elastischen Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren unter gleichbleibenden Scherbedingungen durchgeführt wird.

12. Verfahren zum Strangpressen von thermoplastischem Material durch die in einem Scherspalt zwischen den einander zugewendeten Flächen zweier umlaufender Elemente ausgeübte visko-elastische Wirkung, wobei das stranggepreßte Material durch eine Öffnung in einer dieser Flächen fließt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufachsen dieser Elemente in nicht-koaxialer Fluchtlage miteinander gehalten werden, die Elemente in derselben relativen Drehrichtung in Umdrehung versetzt und die relativen Winkelgeschwindigkeiten der beiden umlaufenden Elemente in einem vorhergewählten Verhältnis zueinander gehalten werden, wodurch der in dem Spalt vorhandene Schubspannungsgradient wirksam geregelt wird.

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