DE3101297C2

DE3101297C2 - Kontinuierlich arbeitender Mischer mit zwei parallelen Mischkammern

Info

Publication number: DE3101297C2
Application number: DE3101297A
Authority: DE
Inventors: Shinichi Kobe Fukumizu; Shinji Hashizume
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1980-01-30
Filing date: 1981-01-16
Publication date: 1985-10-31
Also published as: DE3101297A1; IT1169025B; JPS56114825U; GB2069356A; GB2069356B; IT8119386A0; FR2474336A1

Abstract

Wesentlicher Gedanke der Erfindung ist somit ein kontinuierlicher Mischer, der in einer Kammer, die an ihren entgegengesetzten Enden einen Einlaß und einen Auslaß für das Mischgut hat, zwei nebeneinanderliegende Mischerwellen aufweist, die jeweils einen Förderabschnitt, einen Mischabschnitt und einen Austragabschnitt haben. Der Mischabschnitt hat Kopfleisten, d.h. die Köpfe des Mischabschnittes radial begrenzende Flächen, deren Breite 4- bis 6mal größer als der Zwischenraum zwischen den Kopfleisten und den Wänden der Kammer ist. Die maximale Scherrate liegt im Bereich von 300 bis 500 sec ↑- ↑1. Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, sorgt die Erfindung für hervorragende Mischwirkung bei speziellen Kunstharzen, hinsichtlich derer es bei herkömmlichen Mischern schwierig war, sie ausreichend zu mischen. Ferner trägt die Erfindung bei zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften und der Qualität verschiedener Kunstharze.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen kontinuierlich arbeitenden Mischer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Zum Mischen von Stoffen mit hohem Molekulargewicht, beispielsweise Kunstharzen, werden häufig kontinuierlich arbeitende Mischer benutzt, die in einer Kammer 1 eine Mischsrwelle 2 mit einem Mischabschnitt (Flügel bzw. Schaufel) mit ovaiem Querschnitt aufweisen, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, auf die schon hier Bezug genommen wird. Bei einem solchen Mischer sind die Kopfleisten 4 an den Kanten bzw. Spitzen der Schaufel 3, d. h. die die Schaufel 3 radial begrenzenden Flächen, mit vorgegebener Steigung schraubenlinienförmig verdreht Wenn die Mischerwelle 2 gedreht wird, wird das eingefüllte Mischgut aufgrund des Schervorgangs zwischen der Schaufel 3 und der Kammer 1 erwärmt, geschmolzen und gemischt. Dem stärksten Schervorgang ist das Mischgut dabei ausgesetzt, während es durch den Kopfzwischenraum 5 zwischen den Kopfleisten 4 und der inneren Oberfläche der Wand der Kammer 1 gezwängt wird.

Die Mischleistung eines solchen Mischers hängt daher vom Schervorgang ab, und zwar insbesondere davon, wie wirkungsvoll der Schervorgang durchgeführt wird. Dies heißt mit anderen Worten, daß die Mischleistung von der Schubzahl bzw. Scherrate im Kopfzwischenraum 5 abhängt.

Im folgenden wird die Mischleistung eines Einwellenmischers betrachtet. Für die Scherrate des Mischers gilt:

,T-D-N

Darin bedeuten

h: Radialer Kopfzwischenraum 5 (mm) zwischen der Schaufel 3 und der inneren Oberfläche der Wand der Kammer 1;

D: Innendurchmcsscr(mm)der Mischkammer 1 und
N: Drehzahl (Umdrehungen je Minule) der Schaufel 3.

um so größer wird, je kleiner der Kopfzwischenraun» Λ ist

Ferner wird die erwähnte Mischleistung auch stark durch die Scherspannung r, die von der Schaufel 3 auf das Mischgut übertragen wird, sowie von der Scherbelastung SS beeinflußt, die auf das Material als Verformungsenergie übertragen wird. Wenn die Zähigkeit des Mischgutes (kg sec/cm²) mit μ bezeichnet wird, kann die Scherspannung wiedergegeben werden durch ü.e folgende Beziehung

r = μ ■ /(kg/cm²). (-?)

Wenn die Mischzeit (see) mit MT bezeichnet wird, k.,nn die Scherbelastung wiedergegeben werden durch:

55 = ν ■ MT(kg sec/cm²).

(3)

Aus den Gleichungen (2) und (3) ist erkennbar, daß die Scherspannung τ und die Scherbelastung SS durch die Scherratc γ, die Zähigkeit μ des Materials und die Mischzeit MTbestimmt sind. In jedem Fall ist die Scherrate y eine wesentliche Einflußgröße.
Während die Bewegung der Schaufel 3 vom und zum Punkt A, d. h. während einer Umdrehung, ist das Mischgut einer Scherbelastung SS ausgesetzt, deren Verteilung in F i g. 2 wiedergegeben ist In F i g. 2 bezeichnet L jeweils die Breite und die Lage der Kopfleiste bzw. die Schaufelbreite am radial äußeren Ende der Schaufeln.

Wie in F i g. 2 deutlich erkennbar ist, hat der Wert der Scherbelastung SS sein Maximum während der Zeitdauer, während der das Mischgut durch den Kopfzwischenraum 5 gezwängt wird, wobei während dieses Zeitraumes ungefähr die Hälfte der gesamten Scherbelastung aufgebracht wird, die das Mischgut erfährt

Wenn die Höhe des Kopfzwischenraumes 5 mit O (mm) bezeichnet wird, ergibt sich als Maximalwert der Scherrate/w, aus Gleichung (1) zu:

π-Ρ-Ν C -60

(sec"¹).

(4)

Aus den Gleichungen (2) und (3) ergibt sich der Maximalwert der Scherbelastung SS_m3X je Mischzeiteinheit MTq(see) zu:

μ ■ j>_mlx ■ MT₀ .

(5)

Aus Gleichung (1) ist erkennbar, daß die Scherrate y Aus Gleichung (5) ist erkennbar, daß der Maximalwert der Scherbelastung SSmax durch den Maximalwert der Scherrate y_m„ bestimmt ist Ferner ist aus Gleichung (4) erkennbar, daß der Maximalwert der Scherrate y™, um so größer wird, je kleiner die Höhe O des Kopfzwischenraumes ist.

Wenn die Breite L der Kopfleiste 4 bzw. die Schaufelbreite im Außenbereich kleiner ist, tritt die maximale Scherbelastung SS_mil. auf einer geringeren Breite bzw. kürzeren Strecke auf. so daß die G'jsamtscherbelastung kleiner wird, und zwar auch dann, wenn die Höhe O des Kopfzwischenraumes 5 verringert wird, so daß dadurch jegliche Verbesserung der Mischeigenschaften aufgehoben wird. Wenn die Höhe O des Kopfzwischenraumes 5 zu gering ist, kann es je nach der Art des Mischgutes Schwierigkeiten machen, das Mischgut durch den Kopfzwischenraum 5 zu zwängen. Wenn andererseits die Schaufelbrcitc bzw. die Breite /der Kopfleiste 4 zu groß ist, wird es schwierig, einen problemlosen Mischbetrieb durchzuführen, da die Gefahr einer Überiastune

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der Mischerwelle und zu starker Wärmeerzeugung besteht

Aus der vorstehenden Erläuterung ergibt sich, daß außer dem Wert der maximalen Scherrate γ die Breite der Kopfleiste 4 bzw. die Schaufelbreite und die Höhe O des Kopfzwischenraums 5 wichtige Einflußgrößen sind, die das Verhalten des vorstehend beschriebenen Mischers bestimmen.

Es ist bekannt, daß ein kontinuierlich arbeitender Mischer in Zweiwellenbauart, der zwei nebeneinander verlaufende Mischerwellen in zwei parallelen Mischkammern aufweist, die über ihre Länge miteinander in Verbindung stehen, einen größeren Mischwirkungsgrad hat und eine kürzere Mischzeit erfordert, als der vorstehend anhand von F i g. 1 beschriebene Einwellenmischer. Ein solcher Zweiwellenmischer ist aus der DE-OS 25 13 577 bekannt Im Querschnitt betrachtet entsprechen die Mischwellen derjenigen gemäß Fig. 1,so daß die einleitend dargelegten Beziehungen auch für den bekannten Zweiwellenmischer gelten.

Bei herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Zwpjwellenmischern ist es üblich, die maximale Scnerrate γ auf ungefähr 1000 bis 1800see-' und die Breite /der Kopfleiste derart festzulegen, daß ihr Wert 1- bis 2,5mal größer als die Höhe O des Kopfzwischenraumes ist

Solche herkömmlichen Zweiwellenmischer haben sich als geeignet zum Mischen üblicher Kunstharze erwiesen.

Im Zuge der jüngeren Entwicklung der Kuiistharztechnik werden jedoch zunehmend Kunstharze für verschiedenste Zwecke allein oder in Form von Polymermischungen aus zwei oder mehreren Kunstharzen oder in Form von Verbundstoffen verwendet, denen verschiedene Zuschläge bzw. Additive beigemischt werden müssen. Beim Mischen dieser speziellen Kunstharze hat sich gezeigt, daß die herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Zweiwellenmischer nicht in der Lage sind, für eine ausreichende Vermischung der Kunststoffbestandteile zu sorgen. Es ist insbesondere schwierig, mittels der erwähnten herkömmlichen kontinuierlich arbeitenden Zweiwellenmischer eine befriedigende Mischwirkung zu erzielen, wenn Polypropylenblockcopoly.nere gemischt werden sollen, wenn bei einem Mischvorgang der Hauptzweck die Homogenisierung ist (beispielsweise beim Mischen zum Beseitigen sogenannter »Fischaugen« aus Hochdruckpolyethylen), wenn der Mischvorgang eine Mischungs- oder Verbindungswirkung bewirken soll, wie dies bei der Herstellung einer Polymermischung aus einem Olefinharz und Gummi oder einem Elastomer oder einer Verbindung aus einem Olefinharz und Ruß der Fall ist oder wenn beim Mischen von Polyvinylchlorid oder dergleichen eine Verbesserung der physikalischen Eigenschaften notwendig ist

Der Erfindung lieft die Aufgabe zugrunde, einen Mischer gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs zu schaffen, der sich insbesondere für eine effektive Vermischung von Polymermischungen aus zwei oder mehreren Kunstharzen oder von Verbundstoffen eignet, denen verschiedene Zuschläge beigemischt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchsangegebenen Merkmalegelöst

Durch die erfindungsgemäßen Merkmale wird erreicht, daß der Wert der maximalen Scherbelastung SSm₃X kleiner als beim herkömmlichen Mischer gehalten wird, während gleichzeitig die Breite /, d. h. die Zeitdauer, während der das Mischgut der maximalen Scherbelastung ausgesetzt ist, dementsprechend verlängert ist. • Die Erfindung sorgt somit für eine mittelstarke Scherbeanspruchung während einer längeren Zeitdauer, was im Gegensatz zu den herkömmlichen Mischern steht, die eine kräftige Scherwirkung während einer kürzeren Zeitdauer bewirkten. Die mit dem erfindungsgemäßen Mischer auf das zu mischende Material übertragbare Scherleistung wird gegenüber der vom herkömmlichen Mischer übertragbaren Leistung nicht reduziert Andererseits wird allerdings durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Gefahr einer Überlastung der Mischerwellen sowie einer übermäßigen Wärmeentwicklung vollkommen ausgeschlossen.

Weil durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen die Scherwirkung im Kopfzwischenraum mit reduzierter Kraft während einer verlängerten Zeitdauer eingeleitet wird, werden insbesondere beim Mischen der obenerwähnten speziellen Kunstharze gute Ergebnisse erzielt Der erfindungsgemäße Mischer sorgt beispielsweise bei der Mischung von Polypropylenblockcopolymeren für eine vollständige Homogenisierung, und er verhindert zuverlässig das Auftreten sogenanr.v,· »Fischaugen« beim Mischen von Hochdruckpoiyethyiep ^n. Ferner ist es mit dem erfindungsgemäßen Mischer möglich, bei der Herstellung einer Polymermischung aus einem Olefinharz und Kautschuk oder eines Elastomers oder einer VerbindiMg aus einem Olefinharz and Ruß oder dergleichen für eine gleichmäßige Verteilung des Materials zu sorgen und dadurch eine homogene Mischung bzw. Verbindung der einzelnen Komponenten zu schaffen; letztlich führt dies zu einer Verbesserung- der physikalisehen Eigenschaften und der Qualität der herzustellenden verschiedenen Kunstharze. Besonders vorteilhaft läßt sich der erfindungsgemäße Mischer beim Mischen von Polyvinylchlorid einsetzen, wodurch es möglich wird, durch gleichmäßige Verteilung eines Plastifiziermittels die Härte des Kunststoffs zu vergleichmäßigen, w*S5 SuSHianS ucF pMySiiCSiiSCiicii uigcnSCnSit Und der Qualität des Kunstharzes zugute kommt.

Nachstehend wird anhand schematischer Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer Mischkammer zur Erläuterung des Mischverhaltens eines herkömmlichen Einwellenmischers,

F i g. 2 ein Diagramm, das die Scherbelnstungsverteilung im Mischer gemäß F i g. 1 wiedergibt,

F i g. 3 einen senkrechten Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen kontinuierlich arbeitenden Mischers,

F i g. 4 einen waagerechten Längsschnitt durch den Mischer gemäß F i g. 3.

Fig. 5 eine Schnittdarstellung gemäß V-V in Fig. 3 und

F i g. ό iiin Diagramm, das die Scherbelastungsverteilung beim kontinuierlich arbeitenden Mischer gemäß der Erfindung wiedei gibt

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Zweiwellenmischers wird im folgenden unter Bezugnahme auf die F i g. 3 bis 6 erläutert.

Der dargestellte Mischer 10 umfaßt einen Einlaß 20 und einen Auslaß 30, die sich an entgegengesetzten Enden des Mischers befinden, und er weist in seinem Inneren eine Mischkammer mit Feldsteeherprolil auf, in die zwei parallele Mischerwellen 40 eingesetzt sind.

Jede Mischerwelle besteht, bei Betrachtung vom ein-6ü laßseitigen Ende des Mischers aus, aus einem Förderabschnitt 41, einem Mischabschnitt 42 und einem Austragabschnitt 43. Der Förderabschnitt 41 ist als Schnecke ausgebildet, und der Mischabschnitt 42 umfaßt einen

Flügel bzw. eine Schaufel mit ovalem Querschnittsprofil, die von ihrem Anfang bis zu einem Mittelpunkt im gleichen Sinn wie die Schnecke verdreht ist und die vom Mittelpunkt bis zu ihrem dem Austragabschnitt 43 benachbarten Ende im entgegengesetzten Sinn verdreht ist. Der Austragabschnitt 43 ist als gerader Flügel bzw. gerade Schaufel mit gleichem Querschnittsprofil wie das des Mischabschnittes 42 ausgebildet.

Entsprechend den einzelnen Abschnitten der Misch.srwellen ist die Kammer in Förderkammern 11, Mischkammern 12 und Austragkammern 13 unterteilt, die in Axialrichtung ineinander übergehen bzw. über ihre Länge miteinander in Verbindung stehen. Am Auslaß 30 befindet sich eine Austrittsöffnung mit einer Blende 15, mittels der die Weite der Austrittsöffnung eingestellt werden kann.

Bei diesem kontinuierlich arbeitenden Zweiwellenmischer wird das durch den Einlaß 20 in den Mischer 10 eingegebene Mischgut von den Förderabschnitieri 4i der sich drehenden Mischerwellen 40 in die Mischkammern 12 gefördert und, nachdem es von den Mischabschnitten 42 in den Mischkammern 12 gemischt worden ist, von den Austragabschnitten 43 durch den Auslaß 30 aus dem Mischer abgegeben.

Wie in F i g. 5 erkennbar ist, ist erfindungsgemäß in den Mischkammern des vorstehend beschriebenen kontinuierlich arbeitenden Zweiwellenmischers die Breite / der Kopfleiste 44 an den Rändern bzw. Kanten der die Mischabschnitte 42 bildenden Schaufeln, d. h. die Schaufelbreite am anderen Stirnende auf einen solchen Wert festgelegt, daß sie 4- bis 6mal größer als der Wandabstand der Schaufeln, d. h. als die Höhe O des Kopfzwischenraumes 45 entlang der inneren Oberfläche der Kammerwand ist. Außerdem ist erfindungsgemäß entsprechend obiger Gleichung (4) die maximale Scherrate '/max im Kopfzwischenraum wie folgt festgelegt:

n-D-N

C -60 = 300 ~ 500 see"¹.

Wenn diese Festlegungen getroffen sind, wird während einer Umdrehung der Mischabschnitte 42 in den Mischkammern 12 das Mischgut einer Scherbelastung SS ausgesetzt, die entsprechend F i g. 6 verteilt ist, wobei die Darstellung in F i g. 6 auf gleiche Weise wie in F i g. 2 erfolgt In F i g. 6 gilt die strichpunktierte Kurve a für den herkömmlichen Mischer und die ausgezogene Kurve h für die Erfindung. so

Wie F i g. 6 zeigt, wird beim erfindungsgemäßen Mischer der Wert der maximalen Scherbelastung kleiner als beim herkömmlichen Mischer gehalten, während gleichzeitig die Breite, d.h. diejenige Zeitdauer, während der das Mischgut der maximalen Scherbelastung ausgesetzt ist, auf /.'vergrößert ist Der erfindungsgemäße Mischer sorgt somit für eine mittelstarke Scherwirkung während einer längeren Zeitdauer, was im Gegensatz zu der Arbeitsweise herkömmlicher Mischer steht, die eine kräftige Scherwirkung während einer kürzeren Zeitdauer erzeugen. Obwohl die Gesamtmenge der Scherbelastung in beiden Fällen im wesentlichen gleich ist, ist durch die erfindungsgemäße Ausbildung die Gefahr einer Überlastung der Mischerachsen sowie übermäßiger Wärmeerzeugung ausgeschlossen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentanspruch:

Kontinuierlich arbeitender Mischer mit zwei parallelen Mischkammern, die über ihre Länge miteinander in Verbindung stehen, mit einem Einlaß an einem Ende der Mischkammern und einem Auslaß an ihrem anderen Ende für das Gut, und mit jeweils einer antreibbaren Mischerwelle in den Mischkammern, die vom Einlaß zum Auslaß hintereinander einen Förderabschnitt, einen Mischabschnitt und einen Austragsabschnitt aufweisen, wobei jede Mischerwelle in ihrem Mischabschnitt aus Schaufeln besteht, die an ihrem äußeren radialen Rand eine bestimmte Schaufelbreite haben und in einem bestimmten Wandabstand zur Mischkammerinnenwand verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelbreite (I) 4- bis 6mal größer als der Wandabstand (45) der Schaufeln ist und daß die Scherrate (/$ im Spalt zwischen dem Schaufelrad und der Misehfcamrricrinnenv/and in der Größenordnung von 300 bis 500 see-' liegt