DE3732731A1

DE3732731A1 - Vorrichtung zum konditionieren von thermoplastschmelzen beim extrusionsschaeumen

Info

Publication number: DE3732731A1
Application number: DE19873732731
Authority: DE
Inventors: Karl-Christian Dr Rer Nat Danz; Klaus Dipl Ing Deininger
Original assignee: Bauakademie der DDR
Current assignee: Bauakademie der DDR
Priority date: 1986-10-29
Filing date: 1987-09-29
Publication date: 1988-05-05
Also published as: IT8753765V0; DE3732731C2; IT8767900A0; DD261271A3; IT1221821B

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für Extruder zum kon tinuierlichen Extrusionsschäumen von verschiedenartigen Ther moplasten.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Verschäumung von Thermoplasten mittels Extrusion beruht darauf, daß in der Schmelze auf physikalischem Weg oder durch chemische Reaktion eingetragene Gase unter Druck verteilt wer den und im darauffolgenden Entspannungsschritt zum Schäumen des Extrudats führen.

Die Schaffung von für den Schäumprozeß geeigneten Druck- und Temperaturbedingungen in der Schmelze unmittelbar vor und wäh rend der Entspannungsphase stellt neben dem Einbringen der als Treibmittel wirkenden Substanzen das schwierigste Problem dar. Es gilt, die Diffusionsbeständigkeit der sich bildenden Zell wände, den Treibdruck des Schäumgases und die Fließfähigkeit der Plastschmelze aufeinander abzustimmen.

Die Druckverluste durch die Einstellung der Schäumbedingungen in der Schmelze müssen möglichst gering bleiben. Es ist ein aus reichender Massedruck bis zum Eintreten des Schäumprozesses zu gewährleisten, so daß kein Treibgas vor der Schäumzone aus der Schmelzlösung entweichen kann.

Die Regulierung der Schäumbedingungen erfolgt durch die Steue rung der Massetemperaturen der zu verschäumenden Plastschmel zen. Bei den teilkristallinen Polyolefinen liegen sie im tech nologisch schwierig zu steuernden Bereich wenig unterhalb der Kristallitschmelzpunkte, während bei den amorphen Thermoplasten wie Polystyren und Polyvinylchlorid breitere Temperaturintervalle innerhalb der Erweichungsbereiche zum Schäumen möglich sind. Die Anforderungen an die Konditionierung von Thermoplastschmelzen für das Extrusionsschäumen haben zu einer Vielfalt apparativ aufwendi ger Lösungen geführt.

So werden zwei Extruder in Tandem-Anordnung hintereinander geschal tet. Die Extrusionsstrecke ist in eine Plastifizierungszone, eine Injektionszone, eine Misch- und Kühlzone und eine Extrusionszone untergliedert. Der zweite Extruder mit den Zonen des Mischens und Kühlens ist von einem Kühlmantel umgeben, in dem sich eine Kühl flüssigkeit bewegt (US-PS 1 51 192).

Bei einem anderen Extruder mit einem sehr großen Länge-Durch messer-Verhältnis der Schnecke von 40 D und mehr wird in der letzten Zylinderzone vor dem Extrusionswerkzeug eine Konditio nierung der Schmelze für das Schäumen vorgenommen (US-PS 44 24 287). In der US-PS 26 69 781 ist am verlängerten Extrusionszylinder zum Konditionieren der Schmelze eine gekühlte Welle angeordnet. Die US-PS 37 51 377 offenbart Zwischenfläche-Oberfläche-Generatoren als statische Mischer. Bei allen bekannten Vorrichtungen wird in der Kühlzone zusätzlich noch gemischt, wobei Wärme dissipiert wird. Das wirkt dem Kühleffekt entgegen. Bei teilkristallinen Polymeren sind diese Vorrichtungen teilweise nicht anwendbar, da die erreichbare Kühlung zu gering ist. Die meisten bekannten Vorrichtungen sind an definierte zu verschäumende Substanzen ge bunden bzw. auf ein spezielles Problem des Extrusionsschäumens ausgelegt.

In der DE-OS 29 06 973 wird eine Schmelzen-Kühlvorrichtung aufge zeigt, mit der die Schmelze in Teilströme aufgeteilt und gekühlt wird. Sie ist zwischen Extruderzylinder und Extrusionswerkzeug angeordnet, besteht aus einem Einlaß-Sammelkanal und einem Aus laß-Sammelkanal, zwischen denen sich ein oder mehrere gekühlte Blöcke aus Metall, vorzugsweise Aluminium, befinden. Ein Metall block, von einer Kühlrinne umgeben, weist eine Reihe durchgehen der Löscher bzw. Durchlässe auf, die bevorzugt eine gleichbleibend kreisförmige Querschnittsform besitzen, quer zur Richtung des Ein laß-Sammelkanals angeordnet sind und nacheinander in bezug auf die se Richtung in den Auslaß-Sammelkanal führen. Die Sammelkanäle kön nen einen ringförmigen Querschnitt aufweisen, der durch die inne re Oberfläche des Gehäuses und einem torpedoförmigen Bauteil begrenzt ist. Die Durchlässe fördern Teilströme senkrecht sowohl zur einströmenden wie zur ausströmenden Schmelze. Diese Teilströ me kühlen sich in den Durchlässen ab und erzeugen im Auslaß-Sam melkanal eine vermischende Turbulenz. Flächemäßig ist vorzugswei se die Gesamtheit der Durchlaßöffnungen so, daß keine Einengung im Durchlaß des Materials von einem Sammelkanal zum anderen ent steht. Der Durchmesser der Durchlaßöffnungen ist in einem weiten Bereich wählbar (ca. 3 mm bis 10 mm). In einem besonders vorteil haften Ausführungsbeispiel übersteigt das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Durchlaßöffnungen nicht wesentlich 10 : 1. Die Ge samtquerschnittsfläche der Durchlaßöffnungen, die einen Einlaß- Sammelkanal mit einem Auslaß-Sammelkanal verbinden, ist vorzugs weise größer als die wirksame Querschnittsfläche des Einlaß-Sam melkanals und vorzugsweis auch größer als die des Auslaß-Sammel kanals. Es können mehrere Kühlstufen nacheinander geschaltet sein, indem an den Einlaß-Sammelkanal eines folgenden Blockes sich der Auslaß eines vorhergehenden anschließt.

Mit dieser Vorrichtung können Schaumstoffe bis zu einer gleichmä ßigen Dichte von 0,03 g/cm³ extrudiert werden.
Diese Kühlvorrichtung besitzt einen durch die in der Hülse radial angeordneten Durchflußlöcher und die sich dazu in einem bestimm ten Verhältnis axial erstreckenden Sammelkanäle komplizierten Auf bau. Wenn das Verhältnis des Ein- bzw. Auslaß-Sammelkanals zu den quer zur Richtung nacheinander verlaufenden Durchlässen nicht über einstimmt, kann es zum Stau oder aber zu großen Druckunterschie den und damit zu erheblichen Mängeln beim Verschäumen können. Die nur umlaufende Kühlung an den Blöcken verursacht sehr leicht eine ungleiche Kühlung, beispielsweise eine stärkere Kühlung in den mehr außenliegenden Durchlaßkanälen, die zu ungleicher Konditionierung der Schmelze führt.

Im Extremfall können die Kühlkanäle in den Randbereichen des Bloc kes einfrieren, d. h. durch erstarrte Schmelze zugesetzt werden. Gleichzeitig werden die innenliegenden Kanäle schneller durchströmt, woraus geringere Kühleffektivität resultiert. Damit wird die Verar beitungsmöglichkeit der Vorrichtung auf Thermoplaste reduziert, die sich durch ein bestimmtes Fließverhalten auszeichnen, z. B. hoch molekulare Polystyren-Typen. Dementsprechend werden die in der DE-OS 29 06 973 genannten niedrigen Schaumdichten nur an ausgewählten Primär-Thermoplasten nachgewiesen, nicht aber an Thermoplast-Gemi schen bzw. Thermoplastabfall-Gemischen mit unbestimmten und schwankenden Fließeigenschaften. Die Funktionsfähigkeit der Vor richtung für derartige Stoffgemische wird angezweifelt. Bei stufenweiser Kühlung, d. h. bei Aneinanderreihung von Blöcken oder aber bei erforderlichen veränderten Kühlflächen ist der gerä tetechnische Aufwand erheblich. eine variable Anwendung dieser Vorrichtung für die Herstellung von Thermoplast-Schaumprofilen wird damit kostenintensiv.

In der Anmeldung DD-WP B 29 D 28 81 875 der Erfinder wird die Kon ditionierung der Thermoplastschmelzen durch die Abkühlung der Ex trudatoberflächen unter Beibehaltung des Extrusionsdruckes vorge nommen. Die auf diese Weise hergestellten Schaumextrudate besitzen wenig Möglichkeiten der Variation des Extrudatquerschnittes und können ausschließlich mit einer grobzelligen Struktur produziert werden. Daraus resultieren Einschränkungen für die Anwendbarkeit der Thermoplast-Schaumprofile.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine einfache, billige Vorrichtung zum Kühlen der ein Treibgas enthaltenden Thermoplast-Schmelze zu schaffen, mit der der Massestrom bei geringem Kraftaufwand über seinen Querschnitt homogen abgekühlt wird. Der Massedruck nach Passieren der Vorrichtung soll im Extrusionswerkzeug noch so hoch sein, daß vor dem Austritt der Schmelze in die Atmosphäre kein Treibgas aus der Schmelzlösung entweichen kann. Die Vorrichtung soll an herkömmliche Extrusionsanlagen für Thermoplaste zu in stallieren sein und die Durchführung des Extrusionsschäumverfah rens auf solchen Maschinen ermöglichen.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Massetemperatur der Thermoplastschmelze unter Beibehaltung dses Massedruckes so weit zu senken, daß nach Freisetzung der Stoffmischung Schmelze- Treibmittel-Zusatzkomponenten durch Entspannung des Treibgases Schäumen eintritt. Mit einer Vorrichtung soll die vom Extruder zylinder gelieferte treibmittelhaltige Schmelze gekühlt und in das folgende Extrusionswerkzeug weitergeleitet werden. Nach Ver lassen der Extrusionsdüse sollen in den Extrudaten aus Thermopla sten, Thermoplastgemischen, insbesondere Thermoplastabfallgemischen solche Bedingungen der Diffusionsbeständigkeit gegenüber im Inneren freigesetzten Gasen und der Schmelzenviskosität vorliegen, daß ein gleichmäßiges Schäumen unter Bildung feiner geschlossener Zellen eintritt und Thermoplastschäume mit Dichten kleiner 0,1 g/cm³ her gestellt werden können.

Die Vorrichtung zum Konditionieren von Thermoplastschmelzen beim Extrusionsschäumen, die zwischen einem Extruderzylinder und einem Extrusionswerkzeug angeordnet ist und aus einem zylindrischen Ge häuse besteht, in dem axial torpedoförmige Bauteile aus Metall, vor zugsweise Aluminium, mit Kühlkanälen zum Fördern von Teilströmen der Schmelze angeordnet sind, wobei die Länge der Kühlkanäle zu ihrem Durchmesser ein bestimmtes Verhältnis haben, die Gesamtquerschnitts fläche aller Kühlkanäle größer ist als die wirksame Schmelzeeinfluß fläche und mehrere Kühlsufen nacheinander geschaltet sein können, ist erfindungsgemäß derart gestaltet, daß im zylindrischen tempe rierfähigen Gehäuse ein oder mehrere zylindrische torpedoförmige Bauteile angeordnet sind, die je einen von Temperierflüssigkeit durchströmten Hohlraum besitzen, in deren Längswandungen achsen parallele Kühlkanäle verlaufen, deren Form und Länge, das Länge- Durchmesserverhältnis sowie das Verhältnis des Gesamtquerschnittes zum Schmelzeeinflußquerschnitt bekannt sind.
Sie besitzen alle den gleichen Abstand zum Kühlmedium. Einem torpe doförmigen Bauteil ist auf der dem Extruderzylinder zugewandten Sei te ein Schmelzeverteilerstück, das vorzugsweise kegelförmig gestal tet ist, so zugeordnet, daß die Schmelze über den Gesamtquerschnitt der Kühlkanäle gleichmäßig verteilt ist. Ist der Außendurchmesser des kegelförmigen Schmelzeverteilerstückes gleich dem des zugehöri gen torpedoförmigen Bauteils, müssen im Schmelzeverteilerstück kor respondierend in den Kühlkanälen Axialbohrungen angeordnet sein.

In der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils sind die Kühlkanäle mit vorzugsweise runden Durchmessern gleichmäßig verteilt. Der äußere Durchmesser der zylindrischen Wandung ist dem Schnecken durchmesser im Extruderzylinder.
Bei einer Stufenkühlung, wo zwei oder mehrere torpedoförmige Bautei le im zylindrischen Gehäuse in Reihe angeordnet sind, können die Kühlkanalflächen zu denen eines nachfolgenden Bauteils unterschied lich groß sein, indem die Anzahl der Kühlkanäle und/oder deren Ein zelquerschnitte variiert werden.
An der inneren Wandung des zylindrischen Gehäuses in Richtung Extrusionswerkzeug ist ein Vereinigungsstück angebracht, das bei genannter Stufenkühlung mit dem Schmelzeverteilerstück eines fol genden torpedoförmigen Bauteils einen Schmelzestromvereinigungs kanal bildet.

Die im Extruder erzeugte Schmelze mit dem in ihr dispergierten Treibmittel, ggf. einer Treibmittel-Trägersubstanz und weiteren Modifizierungskomponenten wird hinter der Schnecke im Extrusions zylinder zu einem einheitlichen Massestrom vereinigt und über das Schmelzeverteilerstück den Kühlkanälen der zylindrischen Wandung des torpedoförmigen Bauteils gleichmäßig zugeführt. Der Gesamtquer schnitt der achsenparallelen Kühlkanäle ist mindestens gleich groß oder größer als der des Ringspaltes im Extrusionszylinder, wodurch sich Strömungsgeschwindigkeiten der Teilströme der Schmelze in den Kühlkanälen ergeben, die gleich oder kleiner als die im Ringspalt sind. Die Anzahl der Kühlkanäle ist so ausgelegt, daß ihr Gesamt querschnitt das 1,5- bis 3fache des Ringquerschnittes beträgt. Zur Gewährleistung ökonomischer Durchsatzraten sowie zur Eröffnung von Verarbeitungsmöglichkeiten für verschiedenartige Thermoplaste, Thermoplastgemische und auch Abfallgemische, die sich aufgrund ih rer spezifischen Eigenschaften nur schwer verarbeiten lassen, ist es vorteilhaft, die Kühlkapazität der Vorrichtung den thermodyna mischen Eigenschaften und den Fließeigenschaften verschiedener Schmelzen anpassen zu können. Zur Lösung dieser Aufgabe werden zwei oder mehrere Kühltorpedos hintereinander in einem zylindrischen Ge häuse angeordnet. Durch die Form des Schmelzevereinigungsstückes werden zunächst die Teilströme wieder zusammengeführt und anschlie ßend für den folgenden torpedoförmigen Bauteil mit seinen Kühlka nälen zur gleichmäßigen Aufteilung über den ringförmigen Querschnitt der zylindrischen Wandung wieder aufgeteilt. Die Aufteilung der Schmelze in Teilströme im torpedoförmigen Bauteil ist bevorzugt ei ne andere als im vorhergehenden.

Ausführungsbeispiel

Es zeigt

Fig. 1 eine Extrusionsschäumeinrichtung,

Fig. 2 Längsschnitt durch eine Konditioniervorrichtung,

Fig. 3 Schnitt A-A durch die Konditioniervorrichtung.

Thermoplastabfälle aus Haushalten, bestehend aus 42% PE hoher Dichte, 28% PE niederer Dichte, 15% PVC-h und 15% Polystyren und Polystyrencopolymeren, werden zerkleinert, einem Waschprozeß unterzogen und von eisenhaltigen Verunreinigungen befreit. Das so aufbereitete Thermoplast-Abfallgemisch wird mittels Granulator zu einem rieselfähigen Schüttgut mit Korngrößen unter 4 mm aufberei tet und mit Schäumhilfsmitteln und einem geeigneten physikalisch wirkenden Treibmittel, z. B. Ethanol, versehen. Die so vorberei tete Mischung wird in den Aufgabentrichter eines Einschneckenextru ders mit 45 mm Schneckendurchmesser D und 25 D Schneckenlänge ge geben. Bei einer Umdrehungszahl der Schnecke (13) von 50 min^-1 be trägt die Massetemperatur vor der Schneckenspitze 445 K und der Massedruck 1850 MPa.
Die Schmelze wird vereinigt und in der Konditioniervorrichtung 1, die durch Flansche 5, 6 mit dem Extruderzylinder 2 und dem Ex trusionswerkzeug 3 verbunden ist, dem Schmelzeverteilerstück 11 und dem ersten von zwei torpedoförmigen Bauteilen 7, 8 im zylind rischen Gehäuse 4 zugeführt. Durch das kegelförmige Schmelzever teilerstück 11 wird die Schmelze direkt auf sechs achsparallele Kühlkanäle 10 mit runden Querschnitten in der zylindrischen Wan dung des torpedoförmigen Bauteils 7 gelenkt. Die Strömungsgeschwin digkeiten in den Kühlkanälen 10 ist gleich oder kleiner als die im Ringspalt zwischen Kerndurchmesser der Extruderschnecke 13 und dem Innendurchmesser des Extruderzylinders.

Die Temperatur des durchströmenden Kühlmediums in den Hohlräu men 9 der torpedoförmigen Bauteile 7, 8 beträgt im kontnuier lichen Betrieb 388 K. Die Zu- und Abführung des Temperaturme diums in und aus dem zylindrischen Hohlraum erfolgt durch ra diale Bohrungen 14 im Mantel des torpedoförmigen Bauteils 7 und 8, die zwischen den Kühlkanälen 10 für die Schmelze angeordnet sind. Zur Gewährleistung von hoher Kühlleistung sowie hysterese armer und genauer Steuerung der Konditioniervorrichtung sind die torpedoförmigen Bauteile 7, 8 aus Aluminium gefertigt. Die aus den Kühlkanälen 10 des torpedoförmigen Bauteils 7 kommenden Teilströme der Schmelze werden durch das Schmelzevereinigungs stück 12 und den Verteiler 11 des folgenden torpedoförmigen Bau teils 8 wieder vereinigt und auf seine acht achsparallelen Kühl kanäle wieder gleichmäßig verteilt.
Die Länge der torpedoförmigen Bauteile 7, 8 ist so bemessen, daß das Verhältnis von Länge zu Durchmesser der Kühlkanäle 10 nicht 15 : 1 übersteigt. Nach dem Verlassen der Vorrichtung, im Stau raum des Extrusionswerkzeuges 3 vor der Düse besitzt die Masse eine Temperatur von 407 K. Nach dem Verlassen der 8-mm-Runddüse schäumt das Extrudat zu einem Schaumstrang von 42 mm Durchmesser auf, dessen Dichte nach dem Abkühlen 0,053 g/cm^-3 beträgt. Die Zellstruktur ist mit Zellgrößen unter 0,5 mm sehr fein, lediglich an Punkten mit Verunreinigungen, z. B. nicht aufschließbaren Du roplastpartikeln, ergeben sich Blasen bis zu 3 mm Durchmesser.

Das Extrudat kann sofort nach dem Austreten aus der Düse mittels Heißabschlag-Granulierung zu einem Schaumgranulat verarbeitet werden, das als feuchte- und verrottungsbeständige lose Dämmschüt tung im Bauweisen verwendet werden kann. Die Wärmeleitfähigkeit einer solchen Dämmschüttung beträgt 0,06 Wm^-1K^-1. Damit ist eine neue hochwertige Variante der Wiederverwertung von Thermoplast- Abfallgemischen minderer Qualität gegeben.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen Konditioniervorrichtung 1
Extruderzylinder 2
Extrusionswerkzeug 3
zylindrisches Gehäuse 4
Flansch 5
Flansch 6
torpedoförmiges Bauteil 7
torpedoförmiges Bauteil 8
Hohlraum für Kühlmedium 9
Kühlkanäle 10
Schmelzeverteilerstück 11
Vereinigungsstück 12
Extruderschnecke 13
radiale Bohrungen 14

Claims

1. Vorrichtung zum Konditionieren von Thermoplastschmelzen beim Extrusionsschäumen, die zwischen einem Extrusionszylinder und einem Extrusionswerkzeug angeordnet ist und aus einem zylind rischen Gehäuse besteht, in dem axial torpedoförmige Bauteile aus Metall, vorzugsweise Aluminium, mit Kühlkanälen zum för dern von Teilströmen der Schmelze angeordnet sind, wobei die Länge der Kühlkanäle zu ihrem Durchmesser ein bestimmtes Ver hältnis haben, die Gesamtquerschnittsfläche aller Kühlkanäle größer ist als die wirksame Schmelzeinflußfläche und mehrere Kühlstufen nacheinander geschaltet sein können, dadurch ge kennzeichnet, daß in dem temperierfähigen Gehäuse (4) ein oder mehrere zylindrische torpedoförmige Bauteile (7, 8) an geordnet sind, die je einen von Temperierflüssigkeit durch strömten Hohlraum ( 9) besitzen, deren Längswandungen achsen parallel verlaufende Kühlkanäle (10) bekannter Form und Länge, bekannten Länge-Durchmesserverhältnisses sowie bekannten Ver hältnisses des Gesamtquerschnittes zum Schmelzeeinflußquer schnitt der Schmelze aufweisen und gleichen Abstand zum Kühl medium aufweisen, auf der dem Extruderzylinder (2) zugewandten Seite dem torpedoförmigen Bauteil (7) ein Schmelzeverteiler stück (11 ) so zugeordnet ist, daß die Schmelze über den Ge samtquerschnitt der Kühlkanäle (10) gleichmäßig verteilt ist, auf der dem Extrusionswerkzeug (3) zugewandten Seite im Gehäu se (4) sich ein Vereinigungsstück (12) befindet und bei Stu fenkühlung mit dem Schmelzeverteilerstück (11) eines folgen den torpedoförmigen Bauteils (8) einen Schmelzestromvereini gungskanal bildet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zylindrischen Wandung eines torpedoförmigen Bauteils (7, 8) die Kühlkanäle (10) mit vorzugsweise runden Durchmessern gleichmäßig verteilt sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der zylindrischen Wandung des tor pedoförmigen Bauteils (7, 8) dem Schneckendurchmesser im Ex truderzylinder (2) ist.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Kühlkanalfläche durch die Anzahl der Kühlka näle (10) und/oder deren Einzelquerschnitte variabel ist und sich bei Stufenkühlung in aufeinanderfolgenden torpedoförmigen Bauteilen (7, 8) unterscheidet.

5. Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmelzeverteilerstück (11) kegelförmig gestaltet ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeich net, daß bei gleichem Außendurchmesser des kegelförmigen Schmelzeverteilerstückes (11) und des dazugehörigen torpedo förmigen Bauteils (7, 8) im Schmelzeverteilerstück (11) Axial bohrungen korrespondierend zu den Kühlkanälen (10) angeordnet sind.