DE3902666A1 - Drehknetschnecke - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine in einem Extruder angebrachte Drehknet
schnecke zum Kneten und Extrusionsformen einer Materialmischung aus einem
Kunstharz, beispielsweise Polyesterharz, und einer oder mehrerer der
Substanzen Muttermischung, Kalziumkarbonat, Talkum und Kohlenstoffaser.
Auf die Materialmischung, die durch einen in der Drehschnecke
ausgebildeten Knetabschnitt gelangt, werden fortschreitend höhere Drucke
ausgeübt. Daher kann diese Drehknetschnecke eine große Menge der
Materialmischung kneten und extrudieren, ohne deren physikalische
Eigenschaften zu verschlechtern und ohne zuzulassen, daß die
Materialmischung in dem Knetabschnitt stagniert oder stockt, selbst wenn
die Materialmischung schwierig zu kneten ist.
Um einen wirksamen Knetbetrieb zur Verfügung zu stellen, ist eine be
kannte Drehknetschnecke, die in einem Extruder verwendet wird, mit einem
Aufbau des Kneters versehen, wie es beispielsweise in der US-PS 46 39 143
beschrieben ist. Diese Drehschnecke umfaßt einen Knetabschnitt, der einen
maximalen Außendurchmesser der Drehschnecke ausbildet. Der Knetabschnitt
legt mehrere Knetausnehmungen fest, die entlang einer Materialtransport
richtung eine konstante Tiefe und eine konstante Form aufweisen. Während
des Transports wird eine Materialmischung unter einem konstanten Druck
geknetet.
Allerdings tritt bei der voranstehenden Drehknetschnecke eine Schwierig
keit infolge der Anwendung eines konstanten Drucks auf die Material
mischung auf, die durch den Knetabschnitt gelangt. Wenn nämlich mehrere
Harze beispielsweise in Pelletform gemischt und geknetet werden, werden
die Materialien durch Heizer oder dergleichen bis zu einem hochviskosen
halbgeschmolzenen Zustand erhitzt, und neigen zum Anhaften an
Innenoberflächen der Knetausnehmungen während des Transports.
Weiterhin wird es schwierig, die Materialien durch den konstanten Druck
zu transportieren und gleichförmig zu kneten, wenn die Harzmaterialien
stagnieren und in Niederdruckbereichen der Knetausnehmungen verbleiben.
Dies führt zu dem Problem, daß die Materialien extrusionsgeformt werden,
ohne daß die Materialien gleichförmig geknetet werden.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung
einer Drehknetschnecke, die gleichförmig eine Materialmischung kneten
kann, ohne deren Fluidität zu beeinträchtigen und deren Molekularge
wicht zu verringern, während gleichzeitig ein Stocken und Verstopfen der
Materialmischung verhindert und die pysikalischen Eigenschaften der
Materialmischung verbessert werden und sichergestellt wird, daß ein wirk
samer Knetbetrieb mit hoher Dehnung und hohen Stoßwerten sichergestellt
wird. Die Aufgabe wird gelöst durch Ausbildung mehrerer Knetausnehmungen in
einem Knetabschnitt der Drehknetschnecke, die fortschreitend kleinere
Tiefen von einem Einführungsende zu einem Ausstoßende des
Materialtransports aufweisen.
Ein Vorteil der Erfindung liegt in der Bereitstellung einer Drehknet
schnecke, die wesentlich verbesserte physikalische Eigenschaften der
Materialmischung sicherstellt und eine noch höhere Dehnung und höhere
Stoßwerte durch Anwendung höherer Drucke auf die Materialmischung bereit
stellt. Dies läßt sich durch Ausbildung eines Flußstoppabschnitts
zwischen einem benachbarten Paar von Knetausnehmungen neben dem
Ausstoßende des Materialtransports erreichen, wobei der Flußstoppab
schnitt dieselbe Höhe aufweist wie ein Schraubensteg in dem Knetabschnitt
und der Schraubensteg geschnitten ist, um einen Verbindungskanal auszu
bilden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausfüh
rungsbeispiele näher erläutert, aus welchen sich weitere Vorteile und
Merkmale ergeben.
Es zeigt
Fig. 1 eine Schnittansicht eines Extruders mit einer Drehknetschnecke,
Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht eines Knetabschnitts der Dreh
knetschnecke,
Fig. 3 einen Schnitt entlang einer Linie A-A von Fig. 2,
Fig. 4 einen Schnitt entlang einer Linie B-B von Fig. 2,
Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht eines Knetabschnitts gemäß einer weiteren
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 einen Schnitt entlang einer Linie C-C von Fig. 5,
Fig. 7 einen Schnitt entlang einer Linie D-D von Fig. 5, und
Fig. 8 einen Schnitt in einer Schraubenrichtung mit einer Darstellung ei
ner Knetausnehmung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin
dung.
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung im einzelnen unter
Bezug auf die Figuren beschrieben.
Die Figuren zeigen den Aufbau einer in einem Extruder verwendeten Dreh
knetschnecke. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, umfaßt diese Drehknetschnecke 1
einen nahen Abschnitt (die rechte Seite in Fig. 1), einen Zwischenab
schnitt, einen Mittenabschnitt und einen entfernten Abschnitt (die linke
Seite in Fig. 1). Der Nahabschnitt bildet eine Schraubennut 2 aus, die
sich in einer Materialtransportrichtung erstreckt und weite Steigungen
und tiefe Ausnehmungen aufweist. Der Zwischenabschnitt bildet eine ver
hältnismäßig breite und tiefe Schraubennut 3 aus. Der Mittenabschnitt
legt einen Knetabschnitt 4 fest. Der entfernte Abschnitt bildet eine enge
und flache Nut 5 aus. Der Knetabschnitt 4 umfaßt mehrere periphere
Knetausnehmungen 6, die sich in der Schraubenrichtung erstrecken.
Wie aus Fig. 2 hervorgeht, werden die Knetausnehmungen 6 am Umfang des
Knetabschnitts 4 ausgebildet, der einen maximalen Außendurchmesser der
Drehknetschnecke 1 ausbildet, so daß die Ausnehmungen 6 fortschreitend
verringerte Tiefen in der Schraubenrichtung von einem Einführungsende α
des Knetabschnitts 4 bis zu einem Endabschnitt β des Knetabschnitts auf
weisen.
Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht, sind die Knetausnehmungen 6 ge
schnitten und lassen eine Welle mit etwa elliptischer Querschnittsform
stehen.
Dies bedeutet, daß jede der voranstehend beschriebenen Knetausnehmungen 6
eine glatte bogenförmige Ausnehmung ausbildet, die sich in Schrauben
richtung erstreckt und in einer Mittenlage in Schraubenrichtung am
tiefsten ist und fortschreitend enger wird, während sie sich in der
Schraubenrichtung von dem tiefsten Mittenabschnitt weg erstreckt. Die
Tiefen im Mittenabschnitt der jeweiligen Knetausnehmungen 6 sind fort
schreitend verringert von einer Tiefe L 1 nahe dem Einführungsende α
des Knetabschnitts 4, wie in Fig. 3 gezeigt ist, bis zu einer Tiefe L 2
in der Nähe des Ausstoßendes β des Knetabschnitts 4, wie aus Fig. 4
hervorgeht.
Jede der Knetausnehmungen 6 bildet weiter einen Verbindungskanal 7 aus,
der zu einer benachbarten Knetausnehmung 7 führt, damit eine Material
mischung in Schraubenrichtung fließen kann. Diese Verbindungskanäle 7
weisen in Schraubenrichtung fortschreitend verringerte Tiefen auf. Wie
aus Fig. 3 hervorgeht, weisen daher die Verbindungskanäle 7 in der Nähe
des Einführungsendes α des Knetabschnitts 4 Tiefen auf, die zulassen,
daß die Materialmischung mit etwa derselben Menge fließt wie bei den
Mittelabschnitten der Knetausnehmungen 6. Andererseits weisen, wie aus
Fig. 4 hervorgeht, die Verbindungskanäle 7 in der Nähe des Ausstoßendes
β solche Tiefen auf, daß ein Fluß der Materialmischung nur in geringen
Mengen stattfindet.
Weiterhin wird ein Verbindungskanal 9 durch Wegschneiden eines Teils
eines Schraubensteges 8 zwischen einem benachbarten Paar von Knetaus
nehmungen 6 ausgebildet, um einen Fluß der Materialmischung zu gestatten.
Wie nunmehr wiederum aus Fig. 1 hervorgeht, wird die Drehknetschnecke 1
in einem Extruder 10 eingesetzt, der eine Zuführungsöffnung 11 an einem
nahen Ende zur Zuführung von Materialien aufweist. Die Drehknetschnecke 1
ist drehbar innerhalb eines Heizzylinders 13 gehaltert, der eine Extru
sionsöffnung 12 an seinem fernen Ende ausbildet. Der Heizzylinder 13
weist weiterhin Gasauslaßöffnungen 14 und 15 an den oberen Oberflächen
seiner nahen beziehungsweise fernen Abschnitte auf. Mehrere
Bandheizelemente 16 sind in Intervallen entlang des Außenumfangs des
Zylinders 13 zum Erhitzen und Schmelzen der Materialien vorgesehen.
Weiterhin ist ein in Verbindung mit dem Zuführungseinlaß 11 stehender
Trichter 17 zur Zuführung der Materialien angebracht.
Die Drehknetschnecke 1 ist mit einer Antriebseinrichtung, beispielsweise
einem (nicht dargestellten) Antriebsmotor verbunden, durch welche sie zur
Drehung in einer durch einen Pfeil angedeuteten Materialtransportrichtung
angetrieben wird.
Der Betriebsablauf der dargestellten Ausführungsform wird nachstehend er
läutert.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird, wenn eine Materialmischung aus Poly
esterharz mit beispielsweise Muttermischung, Titan oder Calciumkarbonat
in den Trichter 17 des Extruders 10 eingegeben wird, die Materialmischung
im Trichter 17 einer Transportwirkung der Drehknetschnecke 1 unterworfen,
die sich in der durch den Pfeil angedeuteten Materialtransportrichtung
dreht. In diesem Zustand wird die Materialmischung nacheinander in kon
stanten Mengen in den Heizzylinder 13 und in Richtung auf die Extrusions
öffnung 12 befördert.
Während des Transports wird die Materialmischung durch die Bandheiz
elemente 16 erhitzt und geschmolzen und gast durch die Entlüftungs
öffnungen 14 aus. Dann wird die Materialmischung weitertransportiert,
während sie geknetet wird und sich in die Knetausnehmungen 6, die im
Knetabschnitt 4 ausgebildet sind, hinein- und wieder herausbewegt.
Im einzelnen fließt die Materialmischung in die tiefen Knetausnehmungen
6, die nahe dem Einführungsende α des Knetabschnitts 4 ausgebildet sind,
und ein Teil der Materialmischung wird dann aufgeteilt, um in flachere,
in Schraubenrichtung benachbarte Knetausnehmungen 6 durch die
Verbindungskanäle 7 zu fließen, um gerührt und geknetet zu werden. Die
verbleibende Materialmischung wird über Umfangswände der Knetausnehmungen
6 in die flacheren Knetausnehmungen 6 in der Nähe in Schraubenrichtung
und Axialrichtung transportiert und vereinigt sich mit der Material
mischung, die aus den anderen Knetausnehmungen 6 ausfließt.
Während die Materialmischung aufeinanderfolgend von tieferen Knetaus
nehmungen 6 zu weniger tiefen Knetausnehmungen 6 fließt, verringert sich
die Materialspeicherkapazität allmählich, um die Materialflußmenge zu be
grenzen. Andererseits werden steigende Mengen der Materialmischung in die
weniger tiefen Knetausnehmungen 6 hineingezwungen. Dies führt dazu, daß
fortschreitend höhere Drucke auf die hineinkommende Materialmischung ein
wirken, wodurch die hochviskose Materialmischung, die sonst in Wandober
flächen der Knetausnehmungen 6 stocken oder an diesen anhaften würde,
zwangsweise transportiert wird.
Zur selben Zeit wird, während allmählich die Fließgeschwindigkeit der Ma
terialmischung vergrößert wird, die Materialflußmenge durch die Ver
bindungkanäle 7 und die Schraubenstege 8 begrenzt, wodurch fortwährend
höhere Ausstoßkräfte ausgeübt werden. Weiterhin werden turbulente rhyth-
mische Schwingungen auf die Materialmischung beim Transport ausgeübt,
infolge von Schwingungen, die aufgrund von Druckänderungen dann
auftreten, wenn die Materialmischung in den Mittenabschnitt jeder Knet
ausnehmung 6 fließt, und infolge von Turbulenzen aufgrund der voran
stehend angegebenen Flußaufspaltung. Daher wird die Materialmischung
gleichförmig geknetet und durch nachfolgendes Extrudieren durch die Ex
trusionsöffnung 12 ausgeformt.
Das von dem gekneteten Material während dieser Vorgänge abgegebene Gas
wird durch die Entlüftungsöffnung 15 in der Nähe des fernen Endes ab
gegeben.
Die Materialmischung wird dazu veranlaßt, in die Knetausnehmungen 6 des
Knetabschnitts 4, die fortschreitend geringere Tiefen aufweisen, hin
einzufließen, und es werden fortschreitend größere Drucke auf die Ma
terialmischung ausgeübt, die wie voranstehend beschrieben durch den Knet
abschnitt 4 gelangt. Daher wird selbst ein Material, bei dem ein voll
ständiges Schmelzen und Kneten schwierig ist, mit Muttermischung, Talkum,
Calciumkarbonat oder Kohlenstoffasern, kräftig und verläßlich geknetet
und transportiert, wodurch wirksam verhindert wird, daß ein Stocken oder
Verstopfen der Materialmischung innerhalb der Knetausnehmungen 6
auftritt, und eine große extrudierte Menge sichergestellt wird.
Weiterhin führen der hohe Druck und die Begrenzung der Flußmenge, die
während des Durchgangs durch den Knetabschnitt 4 auftreten, zu der Wir
kung, daß die Flußgeschwindigkeit der Materialmischung erhöht und die
Materialmischung wirksam gerührt und geknetet wird. Die extrudierte
Materialmischung weist hervorragende physikalische Eigenschaften auf,
insbesondere ohne Verschlechterung der Fluidität und ohne Verringerung
des Molekulargewichts, und mit hohen Dehnungs- und Stoßwerten.
Ein äußerst wirksamer Knetbetrieb kann erreicht werden, um das Ausmaß
sicherzustellen, mit welchem eine gegebene Materialmischung geknetet
werden sollte, und zwar nur durch Variation der Anzahl von Knetausneh
mungen 6 und des Gradienten fortschreitend weniger tief werdender Knet
ausnehmungen 6 vom Einführungsende α zum Ausstoßende β. Daher kann die
für eine bestimmte Materialmischung geeignete Drehknetschnecke 1 einfach
und mit geringen Kosten hergestellt werden.
Fig. 5 bis 7 zeigen einen Knetabschnitt 4 gemäß einer weiteren Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform legt
der Knetabschnitt 4 der Drehknetschnecke 1 Knetausnehmungen 6 fest, die
vom Einführungsende α bis zum Ausstoßende β des Knetabschnitts 4
fortschreitend geringere Tiefen aufweisen. Die Knetausnehmungen 6 nahe
dem Ausstoßende 7 definieren Flußstoppabschnitte 18 an den dazwischen
liegenden Grenzen in Schraubenrichtung, anstelle der Verbindungskanäle 7
wie bei der voranstehenden Ausführungsform, wobei die Flußstoppabschnitte
18 dieselbe Höhe aufweisen wie die Schraubenstege 8 des Knetabschnitts
4.
Bei diesem Aufbau wird die Materialmischung, die in die Knetausnehmungen
6 in der Nähe des Ausstoßendes fließt, durch die Flußstoppabschnitte 18
von einem Fluß in Schraubenrichtung abgehalten. Daher wird die Material
mischung höheren Drucken unterworfen, als bei der voranstehenden Aus
führungsform. Daher ist diese Ausführungsform besonders zum Kneten eines
Materials wie Glasfasern oder Titan geeignet, welches schwierig mit einem
Harz zu kneten ist, und kann eine derartige Materialmischung gleichförmig
kneten.
In bezug auf sonstige Aspekte weist diese Ausführungsform dieselbe Funk
tion und dieselben Wirkungen auf wie die voranstehende Ausführungsform.
Gleiche Teile in Fig. 5 bis 7 sind mit den gleichen Bezugsziffern ver
sehen wie entsprechende Teile in den Fig. 2 bis 4, und es wird auf
eine detaillierte Beschreibung verzichtet.
Wie in Fig. 8 dargestellt ist, können die Knetausnehmungen 6 in dem
Knetabschnitt 4 der Drehknetschnecke so ausgebildet sein, daß die Welle
des Knetabschnitts 4 einen annähernd dreieckigen oder rechtwinkligen
Schraubenabschnitt aufweist, der einer Trochoidenkurve ähnelt.
Claims (4)
1. Drehknetschnecke, die einen Knetabschnitt aufweist, der einen maxi
malen Außendurchmesser der Drehknetschnecke erzeugt und eine Reihe von
Knetausnehmungen auf der Umfangsoberfläche ausbildet, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Knetausnehmungen (6) in Schrauben
richtung fortschreitend geringere Tiefen aufweisen.
2. Drehknetschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Knetabschnitt weiterhin Verbindungskanäle (7) aufweist,
die jeweils zwischen einem benachbarten Paar der Knetausnehmungen (6)
vorgesehen sind und fortschreitend geringere Tiefen in Richtung auf ein
Ausstoßende in Schraubenrichtung aufweisen.
3. Drehknetschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Knetabschnitt einen Schraubensteg (8) zwischen einem benachbarten
Paar der Knetausnehmungen (6) aufweist, wobei der Schraubensteg einen
Verbindungskanal (9) aufweist, um Material in eine nächste Knetausnehmung
fließen zu lassen.
4. Drehknetschnecke nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Knetabschnitt (4) schraubenförmige Verbindungskanäle der Knetab
schnitte ausbildet, die als Flußstoppabschnitte (18) arbeiten, welche
dieselbe Höhe aufweisen wie ein Schraubensteg (8) zwischen einem
benachbarten Paar der Knetausnehmungen (6) in der Nähe eines Ausstoßendes
des Materialtransports, wobei der Schraubensteg (8) zwischen den
Knetausnehmungen (6) einen Verbindungskanal (9) aufweist, um einen
Materialfluß in eine nächste Knetausnehmung zu gestatten.
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