DE2951445C2

DE2951445C2 -

Info

Publication number: DE2951445C2
Application number: DE2951445A
Authority: DE
Inventors: Shigeru Saeda; Yukinori Ooita Jp Suz-Aka
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1978-12-21
Filing date: 1979-12-20
Publication date: 1990-03-08
Also published as: DE2951445A1; GB2039225B; JPS6243844B2; GB2039225A; JPS5584528A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von polymeren Stoffen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Eine derartige Mischvorrichtung ist aus der DD-PS 1 26 802 bekannt. Nachteilig an dieser bekannten Mischvorrichtung ist es, daß die dabei verwendeten Mischdüsen keine zufriedenstellende Mischwirkung zugunsten hochwertiger Polymerstoffe gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die eine gute Mischwirkung gewährleistet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine gute Mischwirkung wird demnach mit einer Mischvorrichtung der eingangs genannten Art erzielt, wenn die im Kennzeichenteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Dimensionierungsvorschriften eingehalten werden.

Im folgenden wird die Erfindung durch bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1A und 1B schematische Darstellungen der Querschnitte verschiedener Mischdüsen der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 2A und 2B einen Teillängsschnitt bzw. einen Teilquerschnitt durch eine Vorrichtung zur Herstellung von Fasermaterial mit hoher Zähigkeit,

Fig. 3A einen Teilschnitt durch einen Kopfteil eines Extruders mit einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 3B und 3B′ eine Vorderansicht bzw. eine Schnittansicht der in den Kopfteil des Extruders gemäß Fig. 3A eingebauten erfindungsgemäßen Mischvorrichtung,

Fig. 3C und 3C′ den Fig. 3B und 3B′ ähnelnde Darstellungen mit einer abgewandelten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung, und

Fig. 4 einen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung, die zusammen mit einem Dorn bzw. Einsatz in einen Kopfteil eines Extruders eingebaut ist.

Die in Fig. 1A dargestellte Mischdüse 10 weist eine Verdichtungszone 13, einen Düsenteil 14 und eine Diffusionszone 15 auf. Die Mischdüse kann beispielsweise aus rostfreiem Stahl, Kohlenstoffstahl und dgl. bestehen. Fig. 1A veranschaulicht schematisch den Mischvorgang zwischen eine hochmolekularen Komponente (oder hochviskosen Komponente) und einer niedrigmolekularen Komponente (bzw. niedrigviskosen Komponente) eines Kunstharzes im Schmelz- oder Lösungszustand in der Mischdüse 10. In einer Einlaßzone 11 liegt die hochviskose Komponente in Form von Klumpen 12 vor, die aufgrund einer ungenügenden Vermischung in der niedrigviskosen Komponente in Schwebe gehalten werden. Diese Klumpen 12 strömen in Richtung des Pfeils gemäß Fig. 1A in die Verdichtungszone, in welcher sie aufgrund der Verdichtungskraft infolge der allmählichen Abnahme der Querschnittsfläche in dieser Zone eine längliche Gestalt erhalten. Das Polymerisat tritt sodann durch den Düsenteil 14 hindurch, wobei es in die Form eines Fadens gestreckt wird.

Schließlich tritt das Polymerisat aus dem Düsenteil 14 in die Diffusionszone 15 aus. Infolge der in letzterer stattfindenden Diffusion vermischt sich die hochviskose Komponente vollständig mit der niedrigviskosen Komponente unter Bildung eines homogenen Gemisches.

Gemäß der Fig. 1B besteht die Mischdüse 10′′ aus einer stromaufseitigen bzw. vorgeschalteten Verdichtungszone 13′′ und einem Düsenteil 14′′. Diese Mischdüse kann allein oder in Kombination mit zwei oder mehr anderen, gleichartigen Düsen als Mischvorrichtung eingesetzt werden. Die einzelnen Mischdüsen können dabei parallel oder in Reihe geschaltet sein.

Ein wichtiger Faktor für die Gewährleistung einer guten Mischwirkung ist das Verhältnis der größten Öffnungsquerschnittsfläche S₁ der Verdichtungszone zur kleinsten Öffnungsquerschnittfläche S₂ des Düsenteils, d. h. das Verdichtunsverhältnis S₁/S₂. Wenn dieses Verdichtungsverhältnis zu klein ist, läßt sich die hochviskose Komponente nicht ausreichend strecken, weil in diesem Fall keine gute Strömung der polymeren Substanz im geschmolzenen oder gelösten Zustand erreicht werden kann. Infolgedessen beträgt das Verdichtungsverhältnis S₁/S₂ im allgemeinen 10 oder mehr, vorzugsweise 50 oder mehr und bevorzugt 100 oder mehr. Die Mischwirkung bzw. der Streckeffekt vergrößert sich mit zunehmendem Verdichtungsverhältnis S₁/S₂. Da jedoch bei Vergrößerung dieses Verdichtungsverhältnisses der Gegendruck ebenfalls ansteigt, beträgt das maximale Verdichtungsverhältnis in der Praxis etwa 10 000.

Die Querschnittsflläche des Düsenteils ist über einen weiten Bereich weg änderbar. Wenn beispielsweise die kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils zu groß ist, wird die hochviskose Komponente nicht völlig gestreckt. Ist diese kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ dagegen zu klein, kann die Düse aufgrund des Verhandenseins von Füllstoffen, Staubteilchen, Fremdkörpern und dgl. leicht verstopfen, während auch der Gegendruck übermäßig ansteigen kann. Infolgedessen liegt die kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils im allgemeinen bei 20 mm₂ oder darunter, vorzugsweise bei 10 mm² oder darunter und bevorzugt zwischen 0,001 und 3 mm².

Obgleich die Länge der Düsenbohrungswand praktisch Null betragen kann, kann sie aus Gründen der leichteren Fertigung eine beträchtliche Länge besitzen. Beispiele für Düsenbohrungslängen liegen zwischen 0 mm und 2 mm. Falls jedoch diese Bohrungslänge zu groß ist, steigt in unerwünschter Weise der Gegendruck an. Die Querschnittsform des Düsenteils sowie der Verdichtungs- und Diffusionszone kann beliebig gewählt werden, beispielsweise mit kreisförmiger, rechteckiger, quadratischer, kreisringförmiger oder anderer Konfiguration.

Die kleine Querschnittsfläche des Düsenteils begünstigt nicht nur die Strömung der hochviskosen Komponente von der Einlaßzone zum Düsenteil, und zwar unmittelbar oder über die Verdichtungszone, vielmehr werden die zu vermischenden Stoffe dabei einer hohen Scherwirkung unterworfen. Wenn synthetische Polymerisate in geschmolzenem Zustand einer hohen Scherkraft ausgesetzt sind, tritt bekanntlich aufgrund heftiger Schwingung eine sogenannte Schmelzbrucherscheinung auf. Aufgrund dieser Erscheinung wird die langgezogene, hochviskose Komponente beim Austritt aus dem Düsenteil fein verteilt, so daß sie sich gleichmäßig mit der hochviskosen Komponente vermischt. Auch wenn diese feine Verteilung nicht erreicht wird, gerät die hochviskose Komponente aufgrund des in der Nähe des Auslasses des Düsenteils erzeugten Wirbels in einen verwirbelten Zustand. Die verwirbelten Substanzen breiten sich bei ihrer Strömung durch die sich an den Düsenteil anschließende Diffusionszone aus und vereinigen sich dann mit der niedrigviskose Komponente, so daß ein homogenes Gemisch erhalten wird. Die Hauptaufgabe der Diffusion bzw. Ausbreitung besteht in einer Umformung des verwirbelten oder vermischten Zustands der hochviskosen Komponente in der niedrigviskosen Komponente. Die Scherkraftgröße liegt vorzugsweise bei 50 s ^-1 oder darüber.

Die axiale Länge der Verdichtungszone kann innerhalb eines weiten Bereichs beliebig gewählt werden. Falls jedoch diese axiale Länge der Verdichtungszone zu klein ist, kann keine zufriedenstellende Mischwirkung erzielt werden, weil die hochviskose Komponente in der Verdichtungszone nicht vollständig gestreckt wird, da die Verweilzeit dieser Komponente in der Verdichtungszone zu kurz ist. Vorzugsweise solle die axiale Länge der Verdichtungszone nicht weniger betragen als

Die axiale Länge der Diffusionszone ist ebenfalls innerhalb eines weiten Bereichs änderbar. Vorzugsweise beträgt jedoch die axiale Länge der Diffusionszone nicht weniger als , so daß die hochviskose Komponente in der Diffusionszone in einem verwirbelten Zustand mit der niedrigviskosen Komponente umgeformt wird.

Wenn große Mengen an polymeren Substanzen gemischt werden sollen, können zwei oder mehr Mischdüsen mit Düsenteil, Verdichtungs- und Diffusionszone parallel zueinander miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können zwei oder mehr Mischdüsen in einer Platte ausgebildet werden. Ebenso können zwei oder mehr Mischdüsen in Reihe geschaltet werden, um ein homogeneres Gemisch zu erhalten. Da jedoch der Druckabfall durch die Mischvorrichtung und der Energieaufwand mit zunehmender Zahl von in Reihe geschalteten Mischdüsen an steigen, sollte die Zahl der in Reihe geschalteten Mischdüsen vorzugsweise etwa 5 oder weniger betragen.

Beispielsweise läßt sich die vorstehend beschriebene Mischvorrichtung vorteilhaft für das Mischen eines Produkts aus hochdichtem Polyäthylen oder Polypropylen, jeweils in Form einer Aufschlämmung, einsetzen. Diese Polymerisate werden im allgemeinen in einem Reaktor in Form von Partikeln oder in Form eines Pulvers gewonnen und nach Waschen und Trocknen in einem Endverarbeitungsvorgang zu Pellets umgewandelt. Die vom Reaktor erhaltenen Partikel besitzen jedoch unterschiedliches Molekulargewicht und unterschiedliche Kristallinität. Sofern diese Partikel daher nicht gleichmäßig miteinander vermischt werden, werden die Eigenschaften bzw. die Güte der Formkörper durch die Ungleichförmigkeit der Partikel ungünstig beeinflußt. Aufgrund dieser Ungleichförmigkeit der Partikel können beispielsweise in einer hergestellten Folie sogenannte "Fischaugen" oder gelförmige Stellen auftreten, während in einer hergestellten Flasche stellenweise Bruchspannungen auftreten können. Diese Erscheinungen treten auch in durch Massepolymerisation hergestelltem, niedrigdichtem Polyäthylen und durch Perlpolymerisation hergestelltem Polystyrol auf. Die genannten Schwierigkeiten lassen sich dadurch wirksam vermeiden, daß die Partikel bzw. das Pulver mittels der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung gleichmäßig vermischt werden bzw. wird.

Bei erhöhtem mittleren Molekulargewicht der Kunstharze lassen sich zwar die Eigenschaften, wie Festigkeit, der Kunstharze verbessern, während sich jedoch die Herstellungsbedingungen verschlechtern. Die mangelhafte Verarbeitbarkeit von Kunstharzen mit hohem mittleren Molekulargewicht lassen sich dadurch verbessern, daß die Molekulargewichtsverteilung ohne Änderung des mittleren Molekulargewichts des Kunstharzes erweitert wird. Zu diesem Zweck können zahlreiche Komponenten mit stark unterschiedlichem mittleren Molekulargewicht mittels der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung gleichmäßig miteinander vermischt werden.

Die Mischvorrichtung läßt sich vorteilhaft für die Herstellung eines Gemisches verwenden, in welchem aufgrund der mangelhaften Verträglichkeit bzw. Kompatibilität der Mischungskomponenten leicht eine Phasentrennung auftreten kann. Wenn beispielsweise Äthylenpropylengummi mit Polypropylen vermischt wird, um die Kaltschlagfestigkeit von Polypropylen zu verbessern, ist die Äthylenpropylen-Komponente mit dem Polypropylen unverträglich, so daß sie normalerweise in einem phasengetrennten Zustand im Polypropylen dispergiert ist. Obgleich die Zugabe von Äthylenpropylengummi mit hohem Molekulargewicht (d. h. hoher Viskosität) die Kaltschlagfestigkeit des Polypropylens verbessert, wird das Dispergieren der Äthylenpropylengummikomponente im Polypropylen nach den bisherigen Verfahren um so schwieriger, je höher das Molekulargewicht dieser Gummikomponente ist. Mit der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung läßt sich jedoch die Äthylenpropylen gummikomponente wirksam und gleichmäßig im Polypropylen dispergieren.

Weiterhin läßt sich die Mischvorrichtung vorteilhaft für die Herstellung von Kunstharzgemisch- bzw. -verbundmaterialien aus einem Gemisch mit mangelhafter Kompatibilität einsetzen. Wenn beispielsweise ein Gemisch aus niedrigdichtem Polyäthylen und Nylon-6,6 bei einer über dem Schmelzpunkt von Nylon-6,6 liegenden Temperatur durch die Mischvorrichtung geleitet wird, wird ein Kunstharzmischmaterial erhalten, das langgestreckte, dünne Nylonfäden enthält und das eine hohe Festigkeit besitzt, ohne daß die Weichheit des niedrigdichten Polyäthylens verlorengeht. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, daß bei einer zu hohen Scherkraftgröße die Festigkeit des Mischmaterials zeitweilig abnimmt, weil die Nylonfaser im Düsenteil unterbrochen wird.

Wenn Kunstharze mit organischen oder anorganischen Füllstoffen mittels der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung miteinander vermischt werden, läßt sich eine gleichmäßige Mischwirkung aufgrund der Schwingungs-, Wirbel- und Rotationswirkungen im Düsenteil und in der Verdichtungszone erzielen. Bei Verwendung dieser Vorrichtung für das gleichmäßige Dispergieren von Pigmenten in polymeren Substanzen kann die benötigte Menge an Pigmenten im Vergleich zu bisherigen Mischvorrichtungen verringert werden.

Die in den Fig. 2A und 2B dargestellte Vorrichtung 20 zur Herstellung von Fasermaterialien mit hoher Zähigkeit (Zugfestigkeit) weist ein Anschlußstück 21 auf, welches Mischvorrichtungen 22 und 22′ mit einem nicht dargestellten Extruder verbindet, wobei die beiden Mischvorrichtungen 22 und 22′ miteinander in Reihe geschaltet sind. Diese Vorrichtung weist außerdem einen Spinnspritzkopf bzw. eine Spinndüsenanordnung 23 auf. Die Mischvorrichtungen 22 und 22′ enthalten je 12 Mischdüsen mit jeweils einer Verdichtungszone 26 bzw. 26′, einem Düsenteil 27 bzw. 27′ und einer Diffusionszone 28 bzw. 28′.

Ein aus dem nicht dargestellten Extruder ausgetragenes geschmolzenes Polymerisat 24 wird durch einen ringförmigen Durchgang im Anschlußstück 21 den Mischvorrichtungen 22 und 22′ zugeführt. Letztere enthalten jeweils 12 Mischdüsen der Art gemäß Fig. 1A, die in den Mischvorrichtungen 22 und 22′ konzentrisch angeordnet sind. Im Durchgang ist ein Konus 25 (Fig. 2A) angeordnet. Obgleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2A und 2B eine Mischdüse mit Verdichtungszone, Düsenteil und Diffusionszone verwendet wird, kann ersicht licherweise für die Herstellung von Fasermaterialien mit hoher Zähigkeit auch eine Mischdüse verwendet werden, die nur den Düsenteil und die Verdichtungszone aufweist (vgl. Fig. 1B).

Das aus dem Extruder ausgetragene Polymerisat wird bei seinem Durchgang durch die Mischvorrichtung 22 orientiert. Diese Orientierung speziell der hochmolekularen Komponente vor dem Verspinnen trägt sehr wesentlich zur Erzielung von Fasermaterialien mit hoher Zähigkeit bei, weil die Festigkeit des Fasermaterials weitgehend von der hochmolekularen Komponente im Fasermaterial abhängt. Im Falle der Verwendung einer weiteren Mischvorrichtung 22′ werden die langgestreckten polymeren Stoffe, die miteinander vereinigt sind, in diesem vereinigten Zustand in der zweiten Mischdüse weiter gestreckt. Dieses zweistufige Strecken bietet im Vergleich zum einstufigen Strecken die zusätzlichen Vorteile, daß die Häufigkeit von Dehnungsbrüchen in einem Nachlängungs- bzw. -ziehvorgang beträchtlich abnimmt und die Festigkeit des Fasermaterials weiter verbessert wird.

Das Polymergemisch wird sodann in den Spitzkopf 23 eingeleitet, der Verdichtungs-Einlaufteile 29 und Spinndüsen 30 aufweist. Die Verdichtungs-Einlaufteile 29 besitzen dieselbe Funktion wie die Mischvorrichtungen 22 und 22′. Die Einlaufteile 29 können eine kreisförmige, polygonale oder eine andere komplexe Form besitzen.

Obgleich die Spinndüsen 30 des Spinnkopfes 23 im allgemeinen einen kreisförmigen Querschnitt besitzen, können sie auch beliebige andere Querschnittsform besitzen, beispielsweise einen elliptischen, polygonalen oder andersartig komplexen Querschnitt, was von der gewünschten Querschnittsform der zu spinnenden Fasern abhängt.

Obgleich bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2A die Mischvorrichtungen 22 und 22′ sowie der Spinnkopf 23 unmittelbar miteinander kombiniert sind, sind auch andere Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann ein Schmelzharzbehälter, der mit den Kunstharzdurchgängen in der angeschlossenen Mischvorrichtung gemeinsam in Verbindung steht, vorgesehen werden, der zwischen den Mischvorrichtungen 22 und 22′ oder zwischen der Mischvorrichtung 22′ und dem Spinnkopf 23 angeordnet sein kann. Wahlweise können die Verdichtungszonen oder die Diffusionszonen der Mischdüsen oder aber die Verdichtungs-Einlaufzone des Spinnkopfes miteinander kombiniert werden, um einen gemeinsamen Kunstharzvorratsbehälter beispielsweise in Form einer Ringnut zu bilden. In diesem Fall kann das Ver dichtungsverhältnis S₁/S₂ anhand der größten Öffnungsquer schnittsfläche S₁ der Ringnut und der kleinsten Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils bestimmt werden. Der Kunstharzbehälter vergleichmäßigt den Druck im Einlaß jeder Düsenbohrungswand, so daß Ungleichmäßigkeiten oder Unregelmäßigkeiten der gesponnenen Fasern vorteilhaft vermieden werden können.

Die aus dem Spinnkopf 23 austretenden polymeren Stoffe werden im allgemeinen durch ein Kühlwasserbad geleitet oder erforderlichenfalls durch entsprechende Behandlung zum Erstarren gebracht, so daß Ausgangsfäden erhalten werden, die anschließend unmittelbar oder nach dem Aufspulen zu einem Wickel bei einer für die jeweilige Art des Polymerisats optimalen Temperatur gestreckt werden, wobei dieser Streckvorgang auf beliebige, an sich bekannte Weise erfolgen kann, beispielsweise nach einem Naßverfahren, mittels beheizter Walzen, mittels beheizter Platte oder mittels Heißluft. Bekanntlich wird die Dehnung oder Streckung der Fasermaterialien weitgehend durch das Streckverhältnis bestimmt. Es hat sich gezeigt, daß die mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung her gestellten Fasern eine beträchtlich erhöhte Ziehfähigkeit besitzen. Wenn die Ausgangsfäden in einem einzigen Durchgang gestreckt werden, liegt die Ziehfähigkeit dieser Ausgangsfäden um etwa das 1,5- bis 2fache höher als bei bisherigen Fäden dieser Art, obgleich sie von der Art des jeweiligen polymeren Stoffs abhängt. Dabei erhöht sich die Festigkeit der Fasermaterialien nach dem Verziehen ganz erheblich, so daß Fasern mit hoher Zähigkeit bzw. Zugfestigkeit erzielt werden, die sich für viele industrielle Zwecke eignen. Es wird nicht nur die Verziehfähigkeit verbessert, vielmehr ist auch die Festigkeit der derart hergestellten Fasern überraschend um 30 bis 50% höher als bei den bisherigen Fasern dieser Art, und zwar auch bei demselben Verziehverhältnis. Weiterhin ist auch die Längung oder Dehnung der derart hergestellten Fasern größer als bei den bisherigen Fasermaterialien. Da Zugfestigkeit und Knotenfestigkeit sowie Zugfestigkeit und Flexibilität nach Bedarf frei aufeinander abgestimmt werden können, besitzen die dergestalt hergestellten Produkte für die industrielle Verwendung vorteilhafte Eigenschaften.

Obgleich die Mischvorrichtung vorstehend in Verbindung mit dem Verspinnen von geschmolzenen thermoplastischen Harzen beschrieben ist, ist darauf hinzuweisen, daß diese Vorrichtung auch auf das Naßverspinnen einer Polymerisatlösung anwendbar ist.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1

An einem einen Durchmesser von 50 mm besitzenden Kopfteil 31 eines Einzelschnecken-Extruders von 30 mm Durchmesser wurden drei Mischvorrichtungen 32 auf die in Fig. 3A gezeigte Weise in Reihe miteinander montiert. Jede Vorrichtung 32 bestand aus einer kreisförmigen Platte mit sieben Mischdüsen 34 mit den Abmessungen und Konfigurationen gemäß den Fig. 3B und 3B′. Die Mittellinien der jeweiligen Mischdüsen 34 der drei Mischvorrichtungen 32 waren dabei in Flucht miteinander angeordnet. Am Endabschnitt 33 des Kopfteils 31 war ein nicht dargestellter Spritzkopf montiert.

Die axiale Bohrungsflächenstrecke und die kleinste Querschnittsfläche S₂ jedes kreisförmigen Düsenteils jeder Mischdüse 34 betrugen 0 mm bzw. 0,196 mm². Die Verdichtungszone und Diffusionszone, die jeweils eine sich konisch verjüngende Form besaßen, besaßen eine maximale Querschnittsfläche S₁ von 113 m² eine axiale Länge von 10 mm. Das Verhältnis S₁/S₂ betrug 577. Die Größe betrug 0,25 mm entsprechend etwa 1/40 der axialen Länge der Verdichtungs- oder Diffusionszone. Die Mischvorrichtungen 32 waren aus dem Werkstoff SNCM 8 hergestellt und ihre Fläche, die mit dem Kunstharz in Berührung gelangt, war geglättet.

Mittels des Extruders wurden 80 Gewichtsteile Polypropylen mit einem Schmelzflußindex von 18 g/10 min und 20 Gewichtsteile Äthylenpropylenkautschuk mit einer Eigenviskosität von 4,5 (gemessen in Decalin bei einer Temperatur von 135°C) miteinander vermischt und zu Pellets geformt. Die Scherkraftgröße am Düsenteil der Mischdüse betrug 4,3×10³ s ^-1, und die Extruder-Austragsleistung lag bei 1 kg/h. Die physikalischen Eigenschaften des Kunstharzgemisches wurden bestimmt; diese Eigenschaften sind in Tabelle 1 angegeben.

Zu Vergleichszwecken wurde Beispiel 1 auf dieselbe Weise wiederholt, nur mit dem Unterschied, daß im Extruder-Kopfteil 31 die drei Mischvorrichtungen 32 nicht angeordnet wurden. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, waren die Versprödungstemperatur und die Längung bzw. Dehnung des mit den Mischvorrichtungen hergestellten Kunstharzgemisches beträchtlich besser.

Tabelle 1

Beispiel 2 bis 4 und Vergleichsbeispiel 2

80 Gewichtsteile Polypropylen und 20 Gewichtsteile des vorher angegebenen Äthylenpropylenkautschuks, jeweils nach Art von Beispiel 1, wurden bei einer Temperatur von 230°C mittels des in Beispiel 1 verwendeten Extruders miteinander vermischt, nur mit dem Unterschied, daß verschiedene Mischvorrichtungen verwendet wurden, welche unterschiedliche größte Querschnittsflächen S₁ von Verdichtungs- und Diffusionszone sowie unterschiedliche kleinste Querschnittsflächen S₂ der Düsenteile gemäß Tabelle 2 besaßen. Die Verhältnisse R der axialen Längen der Verdichtungszone (oder der Diffusionszone) zur Größe sind ebenfalls in Tabelle 2 angegeben. Außerdem enthält Tabelle 2 die Zahl der im Extruder-Kopfteil 31 in Reihe geschalteten Mischvorrichtungen. Die Extruder-Austragleistung lag bei 1 kg/h.

Wie aus den Ergebnissen von Tabelle 2 ersichtlich ist, werden die Eigenschaften des Kunstharzgemisches bei Verkleinerung der Querschnittsfläche S₂, bei Vergrößerung des Verhältnisses S₁/S₂ und mit zunehmender Zahl von Mischvorrichtungen besser. Wenn dagegen die kleinste Querschnittsfläche S₂ des Düsenteils zu groß ist und das Verhältnis von S₁/S₂ kleiner ist als 10, tritt kein wirksames Vermischen auf (siehe Vergleichsbeispiel 2).

Beispiel 5 sowie Vergleichsbeispiel 3

80 Gewichtsteile Polypropylen und 20 Gewichtsteile des genannten Äthylenpropylenkautschuks nach Beispiel 1 wurden bei einer Temperatur von 250°C im Extruder gemäß Beispiel 1 miteinander vermischt, jedoch mit dem Unterschied, daß die Mischvorrichtung 32 gemäß Fig. 3C und 3C′ mit Mischdüsen verschiedener Abmessungen gemäß Tabelle 2 versehen war. Im Beispiel 5 besaßen die Mischdüsen einander identische Abmessungen. Im Beispiel 5 und im Vergleichsbeispiel 3 waren die drei Mischvorrichtungen derart in den Extruder-Kopfteil 31 eingebaut, daß die Mischdüsen nur Verdichtungszonen und Düsenabschnitte aufwiesen. Die Extruder- Austragsleistung lag bei 1 kg/h.

Gemäß Tabelle 2 besaßen die nach Beispiel 5 hergestellten Produkte gute physikalische Eigenschaften. Dagegen waren die Eigenschaften bezüglich Versprödungs- oder Sprödbruchtemperatur und Dehnung, insbesondere Dehnung, der nach Vergleichsbeispiel 3 unter Verwendung von Mischdüsen mit großer Querschnittsfläche S₂ des Düsenteils hergestellten Produkte mangelhaft.

Beispiele 6 und 7 sowie Vergleichsbeispiele 4 und 5

25 Gewichtsteile eines Äthylen-Buten-Copolymerisats mit einer Dichte von 0,915 g/cm³ und einem Hochlastschmelzindex von 0,11 g/10 min (ASTM D-1238, 21,6 kg Belastung) und 75 Gewichtsteile des hochdichten Polyäthylens mit einer Dichte von 0,962 g/cm³ und einem Schmelzindex von 8,2 g/10 min wurden bei einer Temperatur von 220°C und einer Extruder-Austragsleistung von 1 kg/h in einem Extruder miteinander vermischt, der mit einer oder mehreren Mischvorrichtungen der Art gemäß Fig. 3A bis 3B′ versehen war. Die größte Öff nungsquerschnittsfläche S₁ von Verdichtungs- und Diffusionszone, die kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils, die Schergröße, die Zahl der Mischvorrichtungen und das vorher angegebene Verhältnis R sind in Tabelle 3 aufgeführt.

Die physikalischen Eigenschaften des Kunstharzgemisches sind ebenfalls in Tabelle 3 angegeben.

Das Quellverhältnis SR nach Tabelle 3 bestimmt sich wie folgt:

worin D den Durchmesser des Kunstharzextrudats bei der Messung des Schmelzindex und D₀ den Durchmesser des Spritzkopfes bedeuten.

Die lokale Spannungsbruchfestigkeit (ESCR) nach Tabelle 3 wird in einer 10%igen Lösung von NONION NS210 (handelsübliches oberflächenaktives Mittel) bei einer Temperatur von 50°C nach dem Verfahren gemäß ASTM D-1693 bestimmt.

Wie aus Tabelle 3 hervorgeht, wurde sowohl nach Beispiel 6 (drei Mischvorrichtungen) als auch nach Beispiel 7 (eine Mischvorrichtung) jeweils ein ausgezeichneter ESCR-Wert erzielt. Im Gegensatz dazu war nach Vergleichsbeispiel 4 (ohne Mischvorrichtung) und Vergleichsbeispiel 5 (Mischvorrichtung mit großer Querschnittsfläche S₁) der ESCR-Wert mangelhaft.

Beispiel 8 und Vergleichsbeispiel 6

Unter Verwendung eines Einschnecken-Extruders mit 65 mm Durchmesser und mit einem Kopfteil 37, der mit einer Mischvorrichtung 38 gemäß Fig. 4 versehen war, wurden 25 Gewichtsteile des Äthylen-Buten-Copolymerisats und 75 Gewichtsteile des hochdichten Polyäthylens jeweils nach Beispiel 6 bei einer Temperatur von 250°C und einer Extruder-Austragleistung von 70 kg/h miteinander vermischt. Die Mischvorrichtung 38 war mit einem in Reihe geschalteten Dorn bzw. Einsatz 39 verbunden und besaß 275 Mischdüsen jeweils gleicher Form und Abmessungen. Die einzelnen Mischdüsen 38 umfaßten einen gemeinsamen Einlaufteil 40, eine Verdichtungszone 41, einen Düsenteil 42 und eine gemeinsame Diffusionszone 43. Jede Düse besaß einen kreisförmigen Querschnitt und eine Bohrungslänge gleich Null. Die Mindestquerschnittsfläche S₂ der Düsenteile betrug 0,785 mm². Die Verdichtungszonen 41 besaßen jeweils eine sich konisch verjüngende Form mit einer größten Querschnittsfläche S₁ von 78,5 mm⁵. Das Verdichtungsverhältnis S₁/S₂ lag bei 100. Die axiale Länge der Verdichtungszone betrug 15 mm. Das vorher angegebene Verhältnis R lag bei 30.

Die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle 4 angeführt. Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, wurden nach Beispiel 8 ausgezeichnete ESCR-Werte erzielt, während der ESCR-Wert der nach Vergleichsbeispiel 6 (ohne Mischvorrichtung) hergestellten Probe mangelhaft war.

Beispiel 9

Mittels eines 40-mm-Extruders mit einer Vorrichtung 20 zur Herstellung von Fasermaterialien mit hoher Zähigkeit (Zugfestigkeit) gemäß Fig. 2A und 2B über ein geeignetes Anschlußstück wurde ein handelsübliches hochdichtes Polyäthylen mit einem Schmelzindex von 0,42 und einer Dichte von 0,952 versponnen.

Die Vorrichtung 20 war so angeordnet, daß das Kunstharz in Abwärtsrichtung extrudiert wurde. Die beiden einander identischen Mischvorrichtungen 22 und 22′ besaßen jeweils zwölf Mischdüsen derselben Abmessungen, die parallel zueinander in einer kreisförmigen Platte angeordnet waren. Der Durchmesser des kreisförmigen Einlasses jeder Verdichtungszone 26, 26′ und des kreisförmigen Auslasses jeder Diffusionszone 28, 28′ betrug 15 mm, und die axiale Länge jeder dieser Zonen lag ebenfalls bei 15 mm. Die Düsenteile 27, 27′ besaßen einen Durchmesser von 1 mm bei einer Bohrungsflächenlänge von 1 mm.

Form und Abmessungen der Einlaufteile 29 des Spinnspritzkopfes 23 waren dieselben wie bei den Verdichtungszonen 26, 26′ der Mischvorrichtungen 22, 22′. Durchmesser und Bohrungsflächenlänge der kreisförmigen Spinndüse 30 betrugen 1,6 mm bzw. 16 mm.

Die größte Öffnungsquerschnittsfläche S₁ jeder Verdichtungszone 26, 26′ und jeder Diffusionszone 28, 28′ betrug 176,7 mm², während jeder Düsenteil 27, 27′ eine kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ von 0,78 mm² besaß. Das Verhältnis von S₁/S₂ betrug somit 225 : 1.

Das genannte hochdichte Polyäthylen wurde mittels dieser Vorrichtung bei einer Temperatur von 280°C versponnen. Das aus der Spinndüse 30 austretende geschmolzene Kunstharz wurde augenblicklich durch ein Kaltwasserbad mit einer Temperatur von 30°C geleitet und dann mit einem Dehnungs- bzw. Streckverhältnis von 2,5 verzogen. Nach dem Aufwickeln der Grund- bzw. Ausgangsfäden zu einem Wickel wurden die Fäden in einem Naßverziehbad bei einer konstanten Temperatur von 100°C mit den verschiedenen, in Tabelle 5 angegebenen Streckverhältnissen gestreckt. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 5.

Vergleichsbeispiel 7

Unter Verwendung eines üblichen bekannten Spinnspritzkopfs mit einem Kunstharz-Einlaufteil sowie 24 Spinndüsen wurde das genannte hochdichte Polyäthylen auf die in Beispiel 9 beschriebene Weise versponnen. Durchmesser und Bohrungsflächenlänge der kreisförmigen Spinndüsen betrugen 1,6 mm bzw. 16 mm.

Dieser Spinnspritzkopf wurde an dem gemäß Beispiel 9 verwendeten 40-mm-Extruder montiert. Das Kunstharz wurde bei einer Temperatur von 280°C versponnen und sodann in einem Kaltwasserbad von 30°C abgekühlt. Die Ausgangsfäden wurden nach einem Strecken im Verhältnis von 2,5 zu einem Wickel aufgespult. Anschließend wurden die Fäden mit den verschiedenen, in Tabelle 5 angegebenen Streckverhältnissen in einem Naßverziehbad bei einer Temperatur von 100°C zur Herstellung von Monofilamenten gestreckt. Die Ergebnisse finden sich in Tabelle 5.

Tabelle 5

Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, ist die lineare Zugfestigkeit der nach Beispiel 9 hergestellten Monofilamente um etwa 20% höher als bei den Monofilamenten nach Vergleichsbeispiel 7 bei gleichem Streckverhältnis. Außerdem ist auch die lineare Dehnung der Monofilamente nach Beispiel 9 höher als bei denjenigen nach Vergleichsbeispiel 7, unabhängig davon, daß die Festigkeit der Monofilamente gemäß Beispiel 9 ebenfalls höher ist als bei den Monofilamenten nach Vergleichsbeispiel 7. Diese Erscheinung ist neu und verdeutlicht die einzigartigen Vorteile der vorstehend beschriebenen Mischvorrichtung. In Vergleichsbeispiel 7 trat häufig Struck- bzw. Dehnungsbruch bei einem Streckverhältnis von 12 auf, während das Strecken gemäß Beispiel 9 auch mit einem Verhältnis von 18 zufriedenstellend durchführbar war. Die derart hergestellten Fäden besaßen also eine ausgezeichnete Dehnbarkeit. Außerdem steigt dabei die lineare Zugfestigkeit mit zunehmendem Streckverhältnis an. Bei einem Streckverhältnis von 18 reicht diese Festigkeit bis zu 14,9 g/d. Dies stellt einen sehr hohen Wert dar, der mit Polyäthylen-Monofilamenten bisher nicht erzielt werden konnte.

Beispiele 10 und 11

Das Kunstharz gemäß Beispiel 9 wurde bei einer Temperatur von 280°C mittels der in Beispiel 9 beschriebenen Vorrichtung versponnen. Die Spinnfasern wurden gemäß Tabelle 6 mehrstufig gestreckt. Das erste Strecken erfolgte in einem Heißwasserbad von 100°C (Naßstrecken), während das zweite und das dritte Strecken mittels einer heißen Walze erfolgte. Gemäß Tabelle 6 wurden Monofilamente mit großer Zähigkeit (Zugfestigkeit) erzielt.

Tabelle 6

Claims

1. Vorrichtung zum Mischen von polymeren Stoffen, mit einer Mischdüse oder wenigstens zwei parallel angeordneten Mischdüsen, die jeweils einen Düsenteil, eine stromaufseitig sich anschließende Verdichtungszone, deren Durchmesser in Richtung auf den Düsenteil abnimmt, sowie eine sich an den Düsenteil anschließende Diffusionszone aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen größter Öffnungsquerschnittsfläche S₁ der Verdichtungszone (13) und kleinster Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils (14) mindestens 10 : 1 beträgt, und daß das Verhältnis zwischen dem Durchmesser D₁ der größten Öffnungsquerschnittsfläche S₁ der Verdichtungszone (13) und deren axialen Länge nicht größer ist als 1,2 : 1.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils (14) nicht mehr als 20 mm² beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von größter Öffnungsquerschnittsfläche S₁ der Verdichtungszone (13) zu kleinster Öffnungsquerschnittsfläche S₂ des Düsenteils (14) 50 : 1 oder mehr beträgt.