-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
1. GEBIET DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen von thermoplastischen
Materialien, insbesondere bezieht sie sich auf Schneckengewindekörper zum
Mischen von vielfältigen
Polymeren, wobei jene Schneckengewindekörper in Extrudern und in Spritzgießmaschinen
benützt
werden können.
-
2. BESCHREIBUNG ZUM STAND
DER TECHNIK
-
Die
Verwendung von Schneckengewindekörpern
zum Extrudieren, Mischen bzw. Kompoundieren und Spritzgießen eines
Polymers ist bestens bekannt. Wendet man sich zur 1,
so wird hier ein herkömmlicher Schneckengewindekörper 11 zum
Einsatz beim Schmelzen und Mischen von Polymeren gezeigt. Der Schneckengewindekörper umfasst
drei Zonen: eine Eingangszone 13, eine Kompressions- oder Übergangszone 15 und
eine Dosierzone 17. Der Schneckengewindekörper 11 ist
untergebracht in einem Rohrkörper 19,
der einen konstanten inneren zylindrischen Durchmesser und eine
glatte innere Oberfläche
aufweist. Polymerharz, das unter gleich welcher Form vorliegen kann,
wie zum Beispiel als Pellets, Granulate, Flocken oder Pulver, wird durch
eine Öffnung 21 in
dem Rohrkörper 19 in
die Eingangszone 13 aufgegeben, wo der Schneckengewindekörper 11 sich
dreht, um das Polymer zu verdichten und anschließend in die Kompressionszone 15 zu
drücken.
Das Polymer wird in der Kompressionszone 15 geschmolzen
und anschließend
in die Dosierzone 17 transportiert, wo das geschmolzene
Material homogenisiert wird. Anschließend wird die homogenisierte Schmelze
extrudiert, spritzgegossen oder weiter verarbeitet.
-
Der
Schneckengewindekörper 11 umfasst
eine Schneckenwelle 23, welche ein um die Schneckenwelle 23 spiralförmig herum
angeordnetes Gewinde aufweist, und so Gewindegänge 25 bildet. Die
Gewindegänge 25 sind
gekennzeichnet durch ihre Tiefe, welche die Höhe des Gewindeganges 25 oberhalb
der Schneckenwelle 23 darstellt, und durch ihre Steigung,
welche dem Abstand P zwischen zwei benachbarten Gewindegänge 25 plus
der Breite eines Gewindeganges entspricht. Der Außendurchmesser
OD der Schneckengewindekörper 11 umfasst
die Tiefe eines Gewindeganges 25 oberhalb und unterhalb
der Schneckenwelle 23, wohingegen der Fußkreisdurchmesser
RD des Schneckengewindekörpers 11 nur
durch den Durchmesser der Schneckenwelle 23 dargestellt
ist, ohne die Tiefe der Gewindegänge 25 mit
zu umfassen.
-
Das
U.S. Patent No. 3.486.192 enthüllt
ein Mischelement zum Einbau in einen Extrusionsschneckengewindekörper, wobei
dieses Mischelement in 2 gezeigt wird. Das Mischelement 30 ist
ein verlängerter Zylinder
mit einer Oberfläche,
welche mit Oberflächenrillen 32 und 34 bearbeitet
ist, welche durch erhöhte
Stege 36 voneinander getrennt sind. Die Eingangsrillen 32 sind
am Ende des Mischelementes offen, welches dem Ende des Elementes 30 zugewandt
ist, von welchem aus das Polymer von dem Schneckengewindekörper in das
Mischelement eingespeist wird, und die Eingangsrillen 32 sind
auf der entgegengesetzten Seite des Mischelementes geschlossen.
Die Ausgangsrillen 34 sind offen am Ende des Mischelementes,
welches dem Ende des Elementes 30 zugewandt ist, auf welches
zu das Polymer entladen wird, und die Ausgangsrillen 34 sind
auf dem entgegengesetzten Ende des Mischelementes geschlossen. Die
Stege 36 bilden eine Sperre zwischen den Eingangsrillen 32 und
den Ausgangsrillen 34, jedoch besteht ein Spiel zwischen
der Oberseite der Stege und der Innenfläche des Rohrkörpers 19.
Das Mischelement 30 dreht sich mit und wird angetrieben durch
das Drehen der Schneckenwelle 23. Das Drehen des Schneckengewindekörpers zwängt geschmolzenes
Polymer in die Eingangsrillen 32 des Mischelementes 30, über die
Oberseite der Stege 36 durch das Spiel zwischen den Stegen 36 und
der Innenfläche
des Rohrkörpers 19 hindurch,
und drückt
dasselbe durch die Ausgangsrillen 34 hinaus. Die Polymerschmelze
ist einer hohen Abscherkraft ausgesetzt, während es zwischen der Oberseite
der Stege 36 und der Innenseite des Rohrkörpers 19 hindurch
gepresst wird. Weitere Ausführungen
von Schneckengewindekörpern
des Mischelementes werden in dem U.S. Patent No. 6.136.246 enthüllt.
-
Mit
Mischelementen, so wie sie oben beschrieben werden, war es schwierig,
einen sehr hohen Grad an Polymervermischung zu erreichen, ohne zur
gleichen Zeit eine übermäßige Erhitzung
des Polymers zu erzeugen, was oft ein Qualitätsverlust des Polymers nach
sich zog. Aus diesem Grunde gibt es ein Bedürfnis nach einer Vermischungsschraube
für den
Einsatz in Extrudern und in Spritzgießmaschinen, welche einen sehr
hohen Grad an Vermischung und Homogenisierung erzielt, welche aber
ein unnützes
Aufheizen oder einen unnützen
Qualitätsverlust
des Polymers nicht nach sich zieht. Es gibt ebenfalls ein Bedürfnis nach
einem Schneckengewindekörper
mit einem Mischelement, welches einen hohen Grad an Polymervermischung
erzeugt, welches aber den Polymerfluss durch den Schneckengewindekörper nicht
so beeinträchtigt,
dass Verminderungen der Drehgeschwindigkeiten des Schneckengewindekörpers und
der allgemeinen Durchflussraten an Polymerharz notwendig werden.
Was aus diesem Grunde benötigt
wird, ist eine Vorrichtung, welche eine homogene Schmelze aus verschiedenen
Polymeren erzeugt, ohne eine wesentliche Qualitätsverminderung des Polymerharzes
zu verursachen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen
von thermoplastischen Materialien, insbesondere bezieht sie sich
aber auf Schneckengewindekörper
zum Mischen von vielfältigen
Polymeren, wobei jene Schneckengewindekörper in Extrudern und in Spritzgießmaschinen
benützt
werden können.
Die Vorrichtung umfasst einen Rohrkörper mit einem sich darin befindlichen
Hohlraum, der einen im Wesentlichen runden Querschnitt und eine
Längsachse
aufweist, wobei der Hohlraum des Rohrkörpers eine Innenoberfläche aufweist
und einen Schneckengewindekörper,
der drehbar in dem Hohlraum des Rohrkörpers montiert ist. Der Schneckengewindekörper ist
koaxial zur Längsachse
des Hohlraums des Rohrkörpers
derart montiert, dass ein Polymermaterial von einem Einlassende
des Hohlraumes des Rohrkörpers
aus durch den Hohlraum des Rohrkörpers
hindurch bis zu einem Auslassende des Hohlraums des Rohrkörpers weitergeleitet wird,
während
sich dieser Schneckengewindekörper
in einer Rotationsbewegung befindet. Der Schneckengewindekörper weist
eine Schneckenwelle mit einem sich spiralförmig um die Schneckenwelle
herum erstreckenden Gewinde auf, so dass eine Vielzahl von Gewindegängen gebildet
wird, und der Schneckengewindekörper weist
eine Zone auf, durch welche das geschmolzene Polymer hindurch gefördert wird.
Der Schneckengewindekörper
besitzt einen Querschnittsbereich für den Durchfluss zwischen den
unmittelbar benachbart gelegenen Gewindegängen des Schneckengewindekörpers, welcher
gleich groß ist
wie die radiale Höhe
um welche sich das Schneckengewinde des unmittelbar benachbarten
Gewindeganges über
die Schneckenwelle hinaus erstreckt, multipliziert mit der Breite
zwischen den unmittelbar benachbarten Gewindegängen. Der Schneckengewindekörper weist
einen Teil innerhalb der Zone auf, durch welche geschmolzenes Polymer hindurch
gefördert
wird, wobei dieser Teil des Schneckengewindekörpers kein Schneckengewinde
besitzt und wo die Schneckenwelle ein Mischelement bildet mit einem
Einlassende, welches auf das Einlassende des Hohlraums des Rohrkörpers hin
gerichtet ist, und mit einem Auslassende, welches auf das Auslassende
des Hohlraums des Rohrkörpers
hin gerichtet ist.
-
Das
Mischelement des Schneckengewindekörpers weist eine trommelförmige Oberfläche auf,
die sich über
der Schneckenwelle erstreckt, welche koaxial mit der Schneckenwelle
verläuft.
Diese trommelförmige Oberfläche besitzt
eine Vielzahl von Eingangsrillen auf der trommelförmigen Oberfläche, die
sich in einer allgemein axial ausgebildeten Richtung erstrecken,
wobei sich Rillenöffnungen
an dem Einlassende des Mischelements befinden, bei welchem diese
Eingangsrillen enden, bevor sie das Auslassende des Mischelements erreichen,
und eine Vielzahl von Ausgangsrillen auf der trommelförmigen Oberfläche, die
sich in einer im allgemeinen axial ausgebildeten Richtung erstrecken,
wobei sich Rillenöffnungen
an dem Auslassende des Mischelements befinden, bei welchem diese
Ausgangsrillen enden, bevor sie das Einlassende des Mischelements
erreichen. Die Vielzahl von Ausgangsrillen wechseln sich mit dieser
Vielzahl von Eingangsrillen ab, so dass diese Eingangs- und Ausgangsrillen über einen
Teilbereich der Oberfläche
des Mischelements aneinander angrenzen. Stege, die sich zwischen
diesen Eingangs- und diesen Ausgangsrillen erstrecken, trennen diese
Eingangsrillen von diesen Ausgangsrillen, wobei die Länge eines
jeden Steges im wesentlichen eine gleich große Länge mit dem angrenzenden Teil
der benachbarten Eingangs- und Ausgangsrillen aufweist. Ein jeder dieser
Stege weist eine oben liegende Oberfläche auf, welche sich über die
Länge des
Steges erstreckt, wobei der Steg eine Breite zwischen den Eingangs-
und Ausgangsrillen aufweist, welche unter 2 mm liegt. Die oben liegende
Stegoberfläche
erstreckt sich in der Richtung der innen liegenden Oberfläche des
hohlen Rohrkörpers,
ohne aber dieselbe zu erreichen. Der freie Raum zwischen der oben
liegenden unter diesen Stegoberflächen und der innen liegenden
Oberfläche
des Hohlraums des Rohrkörpers
beträgt
vorzugsweise weniger als 0,5 mm.
-
Gemäß dieser
Erfindung besteht eine Stegquerschnitts-Scherfläche, welche einem jeden einzelnen Steg
entspricht, der gleich ist mit der Länge des Steges multipliziert
mit dem freien Abstand zwischen dem Steg und der innen liegenden
Oberfläche
des Hohlraums des Rohrkörpers,
und dabei ist die Summe der Scherflächen des Stegquerschnitts für alle Stege
des Mischelementes größer oder
gleich wie 95% des Durchflussquerschnitts zwischen den benachbarten
Gewindegängen
des Schneckengewindekörpers,
durch welchen das Polymermaterial unmittelbar vor dem Eintritt in
das Mischelement hindurch fließt.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine Seitenansicht eines herkömmlichen
Schneckengewindekörpers;
-
2 ist
eine Seitenansicht eines Teiles eines herkömmlichen Mischelementes an
einem Schneckengewindekörper;
-
3 ist
eine Seitenansicht eines Mischelementes an einem Schneckengewindekörper gemäß der Erfindung;
-
4 ist
eine Querschnittsansicht des in der 3 gezeigten
Mischelementes.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mischvorrichtung, welche
in einer Spritzgießmaschine oder
in einem Extruder benützt
werden kann. Die Mischvorrichtung umfasst einen Schneckengewindekörper mit
einer Schneckenwelle, welche ein spiralförmig um die Schneckenwelle
herum angeordnetes Gewinde aufweist, um auf diese Art eine Vielzahl
von Gewindegängen
zu bilden. Der Schneckengewindekörper
besitzt drei Zonen: eine Eingangszone, eine Kompressionszone sowie
eine Dosierzone, und er ist im Betrieb in einen zylindrischen Rohrkörper montiert,
welcher in bevorzugter Weise eine glatte innere zylindrische Fläche aufweist und
welcher es dem Schneckengewindekörper
erlaubt im Innern des Rohrkörpers
zu drehen. Ein Mischelement ist in der Dosierzone des Schneckengewindekörpers eingebaut,
um die Vermischung des Polymers zu verbessern, ohne dass aber eine
Kompression oder eine Scherkraft von übermäßigem Ausmaß in einem Polymer erzeugt
wird, welches dabei ist vermischt zu werden.
-
So
wie hierin benützt,
bezieht sich der Ausdruck "Eingangszone" auf jene Zone des
Schneckengewindekörpers,
wo das Material eingefüllt
wird und noch nicht komplett geschmolzen ist. Falls das Polymer
in der Form von Polymerpellets eingefüllt wird, sind die Pellets
in der Eingangszone in ihrer unverschmolzenen Schüttform anzutreffen.
-
Der
Ausdruck "Kompressionszone" bezieht sich auf
jene Zone des Schneckengewindekörpers,
wo das Material verdichtet und geschmolzen wird. Im Falle von Polymerpellets,
zum Beispiel, sind die Pellets in der Kompressionszone vorhanden
in einem Mischstadium zwischen ihrer Schüttform und ihrer Schmelzform. Die
Wände des
Rohrkörpers,
in welchem der Schneckengewindekörper
sich in Rotation befindet, sind in der Kompressionszone beheizt,
um das Polymer zu schmelzen, welches durch den Schneckengewindekörper vermischt
wird.
-
Der
Ausdruck "Dosierzone" bezieht sich auf
jene Zone des Schneckengewindekörpers,
wo das Material total geschmolzen ist und das geschmolzene Polymer
homogenisiert wird. Im Falle von Harzpellets, liegen die Pellets
in einer komplett geschmolzenen Form vor. Die Wände des Rohrkörpers können in
der Dosierzone beheizt werden, und so helfen, die Temperatur des
geschmolzenen Polymers aufrecht zu halten.
-
Ein
Gewindegang des Schneckengewindekörpers ist gekennzeichnet durch
seine Tiefe, welche definiert ist als die Höhe des Gewindeganges oberhalb
der Schneckenwelle, durch seine Breite, und durch seine Steigung,
welche definiert ist als die Länge
des Gewindeganges (der Abstand zwischen zwei nebeneinander liegenden
Windungen des Gewindeganges auf der Schneckenwelle) plus eine zusätzliche
Breite des Gewindeganges. Falls ein Gewindegang eine Steigung von
25 mm hat, so bedeutet dies, dass wenn die Schneckengewindekörper sich
einmal gedreht hat, das Polymer im Gewindegang sich axial um 25
mm in dem Schneckengewindekörper
bewegt hat.
-
Die "Durchfluss-Querschnittszone" zwischen aufeinander
folgenden Gewindegängen
des Schneckengewindekörpers
ist gleich der Tiefe der ringförmigen
Fläche
zwischen der Schneckenwelle 23 und der Innenfläche des
Rohrkörpers 19 multipliziert
mit der Breite der Steigung. Die Breite (W) der Steigung kann gemäß folgender
Formel berechnet werden: W = P(cosθ) – ewobei "θ" der Winkel des Gewindeganges zur Richtung
senkrecht zu der Längsachse
des Schneckengewindekörpers
ist, "P" ist die Steigung,
und "e" ist die Dicke des
Gewindeganges.
-
In
der Vermischungsvorrichtung gemäß vorliegender
Erfindung umfasst der Schneckengewindekörper mindestens ein Mischelement
in der Zone eines Schneckengewindekörpers, durch welchen geschmolzenes Polymer
hindurch transportiert wird. Das Mischelement schränkt den
Durchgang des Polymers nicht ein, sondern es bewirkt zur gleichen
Zeit einen sehr hohen Grad an Vermischung des Polymers. In einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist das Mischelement in der Dosierzone des Schneckengewindekörpers angeordnet. Das
Mischelement ist vorzugshalber an oder nahe bei dem Punkt angeordnet,
wo die Kompressionszone auf die Dosierzone des Schneckengewindekörpers trifft.
Wahlweise kann sich das Mischelement irgendwo anders in der Dosierzone
befinden, einschließlich
des am weitesten stromabwärts
gelegenen Drittels der Dosierzone. In einer alternativen Ausführung der
Erfindung könnte
der Schneckengewindekörper
ein solcher sein mit einer Eingangszone und einer Kompressionszone,
aber ohne Dosierzone, wobei ein Mischelement sich am Ende der Kompressionszone
befindet, wo das Polymer geschmolzen worden ist. In einer weiteren
alternativen Ausführung
der Erfindung kann der Schneckengewindekörper hergestellt sein mit einer
Eingangszone, gefolgt von einer Kompressionszone, welche ihrerseits
gefolgt ist von einer sehr kurzen Dosierzone mit nicht mehr als
einem Gewindegang, wobei das Mischelement sich am Ende dieser sehr
kurzen Dosierzone befindet.
-
Eine
bevorzugte Ausführung
des Mischelementes der Mischvorrichtung gemäß dieser Erfindung wird in
den 3 und 4 gezeigt. Das Mischelement 40 ist
ein länglicher
Zylinder mit einer bearbeiteten oder gegossenen Oberfläche, mit
Oberflächenrillen 42 und 44,
welche durch hervorstehende Stege 46 von einander getrennt
sind. Vorzugsweise besitzen die Oberflächenrillen 42 und 44 einen
gekrümmten
Querschnitt, wie zum Beispiel einen gerundeten Querschnitt oder
die parabolischen Rillenquerschnitte, so wie sie in 4 gezeigt werden.
Die Eingangsrillen 42 sind offen am Ende des Mischelementes,
welches dem Ende des Elementes 40 zugewandt ist, vom dem
aus Polymer mit Hilfe des Schneckengewindekörpers dein Mischelement zugeführt wird,
und die Eingangsrillen 42 sind auf der entgegengesetzten
Seite des Mischelementes geschlossen. Die Ausgangsrillen 44 sind
offen am Ende des Mischelementes, welches dem Ende des Elementes 40 zugewandt ist,
auf welches zu das Polymer entladen wird, und die Ausgangsrillen 44 sind
auf der entgegengesetzten Seite des Mischelementes geschlossen.
Die Stege 46 bilden eine Sperre zwischen den Eingangsrillen 42 und
den Ausgangsrillen 44, aber es besteht ein Spiel zwischen
der Oberseite der Stege und der Innenseite des Rohrkörpers 19.
Der Zylinder des Mischelementes dreht sich mit und wird angetrieben
durch die Drehung der Schneckenwelle 23. Die Drehung des
Schneckengewindekörpers
zwingt geschmolzenes Polymer in die Eingangsrillen 42 des
Mischelementes 40, über
die Oberseite der Stege 46 durch das Spiel zwischen den
Oberseiten der Stege 46 und der Innenseite der Rohrkörper 19 hindurch
und hinaus durch die Ausgangsrillen 44.
-
Gemäß einer
alternativen Ausführung
der Erfindung können
die Nuten und die Stege an der Oberfläche des Mischelementes unter
einem gewissen Winkel zur Drehachse des Mischelementes und des Schneckengewindekörpers angeordnet
sein. Zum Beispiel können
die Eingangsrillen, die Ausgangsrillen und die Stege, welche die
Eingangsrillen und die Ausgangsrillen von einander trennen, schraubenförmig um
die Oberfläche
des Mischelementes herum gewickelt sein. Gemäß einer weiteren Ausführung der
Erfindung kann die Breite der Eingangsrillen 42 breiter
gemacht werden in Richtung auf die offenen Enden derselben und schmaler
gemacht werden in Richtung auf die geschlossenen Enden derselben
und ergänzend
können
die Ausgangsrillen 44 derart gestaltet werden, dass sie
ebenfalls breiter sind in Richtung auf ihre offenen Enden zu und
dass sie schmaler sind in Richtung auf ihre geschlossenen Enden
zu, während
die Stege 46 eine im Wesentlichen einheitliche Breite über ihre
Länge hinweg
bewahren.
-
In
der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung
beträgt
das Spiel zwischen den Oberseiten der Stege 46 und der
Innenseite des Rohrkörpers 19 weniger
als 0,5 mm, und beträgt
vorzugshalber weniger als 0,3 mm, ist aber größer als 0,05 mm. Dieser niedrige
Grad an Spiel erzeugt einen hohen Grad an Scherung in dem Polymer,
während
dasselbe über
die Stege 46 fließt.
Diese hohe Scherung heizt sämtliche
Teile des Polymers schnell auf und vermischt sie, während das
Polymer zwischen den Stegen 46 und dem Inneren der Rohrkörper hindurch
gequetscht wird. Um ein Überhitzen
sowie eine mögliche
Qualitätsminderung
des Polymers zu vermeiden, wird die Dicke der Stege 46 bei
weniger als 2 mm gehalten, und noch lieber bei weniger als 1,4,
und am liebsten bei weniger als 1 mm. Dieses enge Spiel und der
sehr dünne
Steg ermöglichen
es für
eine sehr kurze Zeitspanne einen sehr hohen Grad an Scherung in
dem Polymer zu erzeugen. Die kurze Dauer des hohen Scherstadiums
bewahrt das Polymer vor einer Überhitzung,
die andernfalls eine Qualitätsminderung
des Polymers verursachen könnte,
während
es vermischt wird.
-
Vorzugshalber
sind die Eingangsrillen 42 und die Ausgangrillen 44 mehr
als drei Mal so tief wie das Spiel zwischen den Stegen 46 und
dem Rohrkörper 19.
Es wird noch stärker
bevorzugt, dass die Eingangsrillen 42 und die Ausgangsrillen 44 wenigstens
vier Mal breiter sind als die Dicke der Stege 46. Die Eingangsrillen 42 und
die Ausgangsrillen 44 haben üblicherweise eine Tiefe von
1 bis 6 mm und eine Breite von 4 bis 15 min, abhängig von der Größe des Schneckengewindekörpers. So
zum Beispiel hatte in dem Schneckengewindekörper, welcher in dem Beispiel
1 enthüllt
wird, eine jede der Eingangsrillen 42 und Ausgangsrillen 44 eine
Tiefe von 2,8 mm und eine Breite von 11 mm, während die Oberseite eines jeden
der dem Rohrkörper 19 zugewandten
Stege eine Dicke von 0,7 mm hatte und das Spiel zwischen der Oberseite
der Stege 46 und der Innenseite des Rohrkörpers 0,25
mm betrug.
-
Der "Scherquerschnitt" eines Mischelementes
ist definiert als das Spiel zwischen den Stegen 46 und der
Innenseite des Rohrkörpers 19 multipliziert
mit der Länge
des Steges ("L" in 3)
multipliziert mit zwei Mal der Anzahl der Eingangsrillen. Gemäß einer
bevorzugten Ausführung
der Erfindung ist der Scherquerschnitt eines jeden in dem Schneckengewindekörper einbezogenen
Mischelementes größer oder
gleich mit 95% des Durchflussquerschnitts zwischen den nebeneinander
liegenden Gewindegängen
des Schneckengewindekörpers,
durch welche das Polymer hindurch fließt, unmittelbar bevor es in
das Mischelement eintritt. Der Scherquerschnitt eines jeden Mischelementes
ist vorzugsweise grösser
oder gleich dem Durchflussquerschnitts zwischen den nebeneinander
liegenden Gewindegängen
des Schneckengewindekörpers
durch welche das Polymer hindurch fließt, unmittelbar bevor es in
das Mischelement eintritt. Gemäß der am
meisten bevorzugten Ausführung
der Erfindung beträgt
der Scherquerschnitt eines jeden Mischers zwischen 100% und 120%
des Durchflussquerschnitts zwischen den nebeneinander liegenden
Gewindegängen
des Schneckengewindekörpers
durch welche das Polymer hindurch fließt, unmittelbar bevor es in
das Mischelement eintritt. Durch das Vorsehen eines Mischelementes
mit einem Scherquerschnitt, welcher im Wesentlichen gleich oder größer als
der Durchflussquerschnitt ist, engt das Mischelement die Durchsatzrate
an Polymer des Schneckengewindekörpers
nicht ein.
-
Es
wurde herausgefunden, dass die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung
wirksam ist, wenn der Schneckengewindekörper ein solcher Schneckengewindekörper mit
einem niedrigen Kompressionsverhältnis ist.
Das Kompressionsverhältnis
ist ein Ausdruck für
den Umfang, um welchen der Schneckengewindekörper ein Polymerharz während der
Verarbeitung verdichtet oder zusammen quetscht.
-
Das
volumetrische Kompressionsverhältnis
ist das Volumen eines Gewindeganges des Schneckengewindekörpers in
der Eingangszone dividiert durch das Volumen eines Gewindeganges
in der Dosierzone des Schneckengewindekörpers. In der Praxis kann das
Kompressionsverhältnis
für Schneckengewindekörper mit
einer konstanten Steigung berechnet werden mit Hilfe der nachfolgenden
vereinfachten Gleichung:
-
Unter
Hochdruck arbeitende Schneckengewindekörper, welche allgemein für kristalline
oder halbkristalline Polymermaterialien verwendet werden, weisen
ein Kompressionsverhältnis
auf, das größer als
annähernd
2,5 ist. Standardisierte Kompressionsschneckengewindekörper, welche
allgemein zur Verarbeitung von amorphen Materialien benützt werden,
weisen Kompressionsverhältnisse
von annähernd
1,8 bis 2,5 auf. Schneckengewindekörper mit einem Kompressionsverhältnis von
weniger als 1,8 werden betrachtet als Schneckengewindekörper mit
einem niedrigen Kompressionsverhältnis.
-
Ein
Schneckengewindekörper
mit einer niedrigen volumetrischen Kompression kann gemäß den Grundsätzen der
PCT Patentveröffentlichung
No. WO 9/56937 konstruiert werden und an das dem Spritzgießen zu unterwerfende
Polymerharz angepasst werden. In solchen Schneckengewindekörpern wird
der Massenfluss an Polymerharz längs
des Schneckengewindekörpers
ausgeglichen, so dass ein konstanter Druckgewinn entlang dem Schneckengewindekörper stattfindet,
dies ohne Druckspitzen.
-
Die
Mischvorrichtung gemäß der Erfindung
kann benützt
werden um einen breit gefächerten
Bereich an Polymeren und Polymerzusätzen zu mischen. Der erfindungsgemäße Schneckengewindekörper kann
benützt
werden in einer Extrusions- oder in einer Spritzgießmaschine,
wie zum Beispiel einer Maschine für das Spritzblasformen. Es
wurde gefunden, dass der Schneckengewindekörper vor allem nützlich ist
zum Extrudieren und Spritzgießen
von Mischungen aus verschiedenen Polymeren. Während die Erfindung mit Hilfe
eines Schneckengewindekörpers
veranschaulicht wurde, welcher sich aus einem Schneckengewindekörper und
einem Mischelement zusammensetzt, liegt im Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung auch ein Schneckengewindekörper mit drin, welcher zwei
oder mehr der oben beschriebenen Mischelemente enthält, oder
eine Vorrichtung, welche zwei oder mehr solcher Schneckengewindekörper umfasst.
Während
die Erfindung im Zusammenhang mit einem Schneckengewindekörper veranschaulicht
worden ist, welcher einen Gewindegang aufweist, so ist ein Schneckengewindekörper mit
mehr als nur einem Gewindegang auch im Schutzumfang der vorliegenden
Erfindung enthalten.
-
Die
Erfindung wird weiterhin veranschaulicht durch die nachfolgenden
Beispiele. Die Beispiele dienen nur zum Zweck der Veranschaulichung
und es ist nicht beabsichtigt, die Erfindung einzuengen. Änderungen an
Details können
gemacht werden, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.
-
BEISPIELE
-
BEISPIEL 1 UND VERGLEICHSBEISPIEL
2
-
In
dem Beispiel 1 wurde ein Schneckengewindekörper gemäß der Erfindung hergestellt
und er wurde zum Spritzgießen
eines thermoplastischen Polyacetalharzes verwendet. Das Polyacetalharz
wurde in der Form von körnigen
Pellets mit einem Durchmesser von annähernd 2 bis 4 mm in die Aufgabezone eingeführt. Das
Polyacetalharz war Delrin® 500 P, ein Polyacetalharz
vermischt mit annähernd
1 Gew.-% von zugesetzten thermischen Stabilisatoren und Schmiermitteln,
welche einen Schmelzpunkt von 117°C
(ISO 3146 Methode C2) und eine Schmelzflussrate von 15 g/10 min
aufweisen, dies gemäß den normalisierten
Verfahren (ISO 1133) bei einer Temperatur von 190°C mit einem
Gewicht von 2,16 kg, wobei Delrin® 500
P bezogen werden kann von E.I. DuPont de Nemours and Company (DuPont)
aus Wilmington, Delaware, U.S.A.
-
Der
Schneckengewindekörper
aus dem Beispiel 1 besaß eine
Aufgabezone, eine Kompressionszone und eine Dosierzone, und er hatte
einen niedrigen volumetrischen Kompressionsgrad, so wie in der PCT
Veröffentlichung
WO 99/56937 enthüllt.
Der Schneckengewindekörper
umfasste ein Mischelement, so wie vorher mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben.
Das Mischelement befand sich am Anfang der Dosierzone, wo die Kompressionszone
die Dosierzone berührt.
Der Schneckengewindekörper
war komplett hergestellt aus Nitrierstahl mit einer Härte von
83 HRA und den Abmessungen wie sie nachstehend dargelegt sind.
-
Im
Vergleichsbeispiel 2 wurde ein Schneckengewindekörper hergestellt, so wie der
Schneckengewindekörper
in dem Beispiel 1, mit der Ausnahme, dass er kein Mischelement enthielt,
und dieser Schneckengewindekörper
wurde zum Spritzgießen
des gleichen thermoplastischen Polyacetalharzes benützt, wie
in Beispiel 1.
-
Die
im Beispiel 1 und im Vergleichsbeispiel 2 benützten Schneckengewindekörper hatten
folgende Abmessungen:
-
In
beiden Beispielen, Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 2, wurde der
Schneckengewindekörper
in einer Spritzgießmaschine
verwendet, welche eine Schließkraft
von 150 ton hatte und mit einem Rohrkörper von 30 mm Durchmesser
ausgerüstet
war. Der Rohrkörper
war an eine Formvorrichtung mit zwei Höhlungen und einem Volumen von
annähernd
40 cm3 angeschlossen. Ein Formzyklus von
annähernd
1 Minute wurde angewandt. Während
jedem Zyklus drehte der Schneckengewindekörper annähernd 4 Sekunden lang mit einer
Geschwindigkeit von 190 U·min–1,
um das geschmolzene Polymer in das Speicherteilstück des Rohrkörpers zu drücken, welches
sich zwischen dem Ende des Schneckengewindekörpers und der Formhöhlung befand.
Der Schneckengewindekörper
wurde dann um einen Hub von 6,7 cm vorgeschoben, um so das gespeicherte
Polymer in die Formhöhlung
einzuspritzen. Das Polymer durfte in der Formhöhlung während annähernd 55 Sekunden kristallisieren,
bevor der gegossene Artikel aus der Formhöhlung entfernt und der Zyklus
wiederholt wurde. Die gesamte Leistung des Schneckengewindekörpers betrug
55 kg/hr. Die Rohrkörpertemperatur
war auf 200°C
in der Eingangszone, 210°C
in der Kompressionszone und 215°C
in der Dosierzone und Speicherzone eingestellt. Die Temperatur der
Form war auf 90°C
eingestellt. Im Beispiel 1 war die Temperatur des Polymers, so wie
es aus dem Schneckengewindekörper
kam, weniger als 2°C
höher als
die Temperatur des Rohrkörpers,
was beweist, dass der Mischvorgang nur ein geringes zusätzliches
Aufheizen der Polymerschmelze bewirkte, obwohl sogar ein Mischelement
im Beispiel 1 benützt
wurde.
-
Zugversuchsstäbe in der
Form eines profilierten Stranges (dog bone) wurden in der Formvorrichtung mit
zwei Höhlungen
und einer Geschwindigkeit von annähernd einem Pressvorgang pro
Minute spritzgegossen. Die Zugstäbe
wurden gemäß ISO 294
zubereitet und hatten eine Gesamtlänge von 16,6 cm mit einem eingeschnürten Teil,
der 8 cm lang, 1 cm breit und 4 mm dick war. Während eines jeden Pressvorganges
dosierte der sich drehende Schneckengewindekörper zuerst die Polymerschmelze
bevor er stehen blieb und sich um 6,7 cm in axialer Richtung verschob,
um so das Polymer in die Formhöhlung
zu drücken.
-
Zehn
mit einem jeden Schneckengewindekörper gegossene Zugstäbe wurden
dem Zufall nach ausgewählt
für Zugversuche
gemäß ISO 527-1.
Die mechanischen Eigenschaften der getesteten Stäbe waren folgende:
-
Die Übereinstimmung
des Resultates für
die Dehnung bei Bruch ist ein guter Anzeiger für die Homogenität der Polymerschmelze,
welche zur Herstellung des Stabes benützt wurde. Wie ersichtlich
war die minimale Dehnung 18% größer für die Stäbe, welche
mit dem Schneckengewindekörper
gemäß der Erfindung
hergestellt wurden, gegenüber
den Stäben,
welche mit dem Schneckengewindekörper
gemäß dem Vergleichsbeispiel
2 hergestellt wurden. Wie ersichtlich wurde die erhöhte Konsistenz,
welche mit dem Schneckengewindekörper
gemäß der Erfindung
erreicht wurde, nicht auf Kosten einer Verminderung der Qualität des Polymers erzielt,
welche sonst die Zugfestigkeit der Versuchsstäbe vermindert hätte.
-
BEISPIELE 3, 4 UND VERGLEICHSBEISPIEL
5
-
In
den Beispielen 3 und 4 wurde ein Schneckengewindekörper mit
einem Mischelement, so wie oben für Beispiel 1 beschrieben, in
der Spritzgießmaschine
von Beispiel 1 benützt
zum Spritzgießen
von thermoplastischen Polyacetalharz-Zusammensetzungen mit der gleichen
Formulierung, welche aber unter verschiedenen Formen in die Eingangszone
des Schneckengewindekörpers
eingeführt
wurden. Im Beispiel 3 wurden die einzelnen Bestandteile der Zusammensetzungen
vorher in einem separaten Vermischungs- bzw. Kompoundierungsvorgang vor dem
Spritzgießen
vorab vermischt bzw. kompoundiert. Im Beispiel 4 wurden die Komponenten
der Zusammensetzung direkt in den Schneckengewindekörper für das Spitzgießen eingeführt, ohne
einen vorherigen Kompoundierungsvorgang. Im Vergleichsbeispiel 5
wurde die in den Beispielen 3 und 4 benützte Spritzgießmaschine
eingesetzt, um das mehrfache Komponentenharz aus Beispiel 4 dem
Spritzgießen
zu unterziehen, aber der benützte
Schneckengewindekörper
war der Schneckengewindekörper
des Vergleichsbeispiels 2, welcher kein Mischelement umfasste.
-
Im
Beispiel 4 und im Vergleichsbeispiel 5 war das Polyacetalharz ein
Polyoxymethylenhomopolymer unter der Form von Mikroperlen mit einem
durchschnittlichen Durchmesser von 0,25 mm und einer Gauß'schen Verteilung
der Korngröße von 0,06
bis 0,50 mm. Thermische Stabilisatoren und Schmiermittel in der
Form von feinem Pulver wurden zu den Polyacetal-Mikroperlen in einem
Silo mit Hilfe eines rotierenden Mischblattes hinzu gemischt, um
eine Gesamtmischung mit annähernd
1% an zugesetzten thermischen Stabilisatoren und Gleitmitteln zu
ergeben.
-
Im
Beispiel 3 war das benützte
thermoplastische Harz Delrin® 500 P Polyacetalharz,
ein Polyoxymethylenhomopolymer, vorher mit annähernd 1 Gew.-% an zugesetzten
thermischen Stabilisatoren und Gleitmitteln kompoundiert, dasselbe
kann von E. I. du Pont de Nemours and Company (DuPont) aus Wilmington,
Delaware, U. S. A. bezogen werden. Dieses vorab vermischte Harz
lag in der Form von Granulatpellets mit einem Durchmesser von annähernd 2
bis 4 mm vor und hatte einen Schmelzpunkt von 177 °C (ISO 3146
Methode C2) und eine Schmelzflussrate von 15 g/10 min nach dem normalisierten
Verfahren (ISO 1133) bei einer Temperatur von 190°C mit einem
Gewicht von 2,16 kg. Das vorab Vermischen der thermischen Stabilisatoren
und Gleitmittel wurde in einer herkömmlichen Weise vorgenommen
unter Einsatz eines Polymerextruders mit einem einzigen Schneckengewindekörper. Das
Polyoxymethylenhomopolymer, die thermischen Stabilisatoren und Gleitmittel,
welche in der Zusammensetzung des Beispiels 3 vorhanden waren, waren
die gleichen wie jene, welche im Beispiel 4 und im Vergleichsbeispiel
5 verwendet wurden, und diese Bestandteile waren in der vorgemischten
Zusammensetzung des Beispiels 3 in den gleichen Proportionen vorhanden
wie im Beispiel 4 und im Vergleichsbeispiel 5.
-
In
den Beispielen 3, 4, und dem Vergleichsbeispiel 5 wurden die Harze
mit einer Spritzgießmaschine spritzgegossen,
welche eine Schließkraft
von 150 ton aufwies und mit einem Rohrkörper von 30 mm Durchmesser
ausgerüstet
war. Der Rohrkörper
war an eine Formvorrichtung mit zwei Höhlungen und einem Volumen von
40 cm3 angeschlossen. Ein Pressvorgangzyklus
von annähernd
1 Minute wurde angewandt. Während
jedem Zyklus drehte der Schneckengewindekörper annähernd 4 Sekunden lang mit einer
Geschwindigkeit von 190 U·min–1,
um das geschmolzene Polymer in das Speicherteilstück des Rohrkörpers zu
drücken,
welches sich zwischen dem Ende der Schneckengewindekörper und
der Formhöhlung
befand. Der Schneckengewindekörper
wurde dann um einen Hub von 6,7 cm vorgeschoben, um so das gespeicherte
Polymer in die Formhöhlung
einzuspritzen. Das Polymer durfte in der Formhöhlung während annähernd 55 Sekunden kristallisieren,
bevor der gegossene Artikel aus der Formhöhlung entfernt und der Zyklus
wiederholt wurde. Die gesamte Leistung des Schneckengewindekörpers betrug
55 kg/hr in den Beispielen 3, 4 und im Vergleichsbeispiel 5.
-
In
den Beispielen 3, 4 und im Vergleichsbeispiel 5 war die Rohrkörpertemperatur
eingestellt auf 200°C in
der Eingangszone, 210°C
in der Kompressionszone und 215°C
in der Dosierzone und Speicherzone. Die Temperatur der Form war
auf 90°C
eingestellt. In jedem Beispiel war die Temperatur des Polymers,
so wie es aus dem Schneckengewindekörper kam, weniger als 4°C höher als
die Temperatur des Rohrkörpers,
was beweist, dass der Mischvorgang nur ein geringes zusätzliches
Aufheizen der Polymerschmelze bewirkte, obwohl sogar ein Mischelement
in den Beispielen 3 und 4 benützt
wurde.
-
Zugversuchsstäbe in Form
von profilierten Strängen
wurden in der doppelten Formnestmatrize mit einer Geschwindigkeit
von annähernd
einem Pressvorgang pro Minute spritzgegossen. Die Zugstäbe wurden gemäß ISO 294
zubereitet, und hatten eine Gesamtlänge von 16,6 cm mit einem eingeschnürten Teil,
der 8 cm lang, 1 cm breit und 4 mm dick war.
-
Zehn
mit einem jeden Schneckengewindekörper gegossene Zugstäbe wurden
dem Zufall nach ausgewählt
für die
Zugversuche gemäß ISO 527-1.
Die mechanischen Eigenschaften der getesteten Stäbe waren folgende:
-
Die Übereinstimmung
des Resultates für
die Dehnung bei Bruch ist ein guter Anzeiger für die Homogenität der Polymerschmelze,
welche zur Herstellung des Stabes benützt worden ist. Es ist ersichtlich,
dass mit dem Schneckengewindekörper
gemäß der vorliegenden
Erfindung die minimale Dehnung für
die vorgemischte Zusammensetzung (Beispiel 3) nicht wesentlich gemindert
worden ist, wenn der Mischvorgang eliminiert wurde und die gleichen
Komponenten direkt in den Spritzgieß-Schneckengewindekörper eingeführt wurden (Beispiel 4). Wenn
jedoch ein Schneckengewindekörper
ohne Mischelement gemäß der Erfindung
in dem Vergleichsbeispiel 5 verwendet wurde und wenn dieselben Komponenten
unmittelbar in den Spritzgieß-Schneckengewindekörper eingeführt wurden,
dann sank die minimale Dehnung bei Bruch um mehr als 20%. Wie ersichtlich
wird die erhöhte
Konsistenz mit der Schneckengewindekörper gemäß der Erfindung selbst dann
erreicht, wenn die Komponenten der Harzformulierung nicht im Voraus
vermischt werden.
-
Ein
Vorteil für
das Spritzgießen
direkt ausgehend von individuellen Komponenten liegt darin, dass
ein separater Extrusionsmischvorgang nicht benötigt wird, um sämtliche
Komponenten der Harzformulierung zu verbinden. Das Vermischen geschieht
in der Spritzgießeinheit.
Dieses Verfahren produziert gegossene Artikel mit mechanischen Eigenschaften,
welche gleichwertig sind zu denjenigen die unter Einsatz von vorher
gemischten Harzen erzielt werden können.
-
Vor
dieser Erfindung waren die mechanischen Eigenschaften niedriger,
vor allem die Durchschnittsdehnung bei Bruch, dies wegen ungeschmolzenen
oder unvermischten Partikel, welche in die Zugstäbe hinein gespritzt wurden.
Erstaunlicherweise ist es ersichtlich, dass für die Artikel, die direkt ausgehend
von einer groben Mischung von Polyacetal, thermischen Stabilisatoren
und Gleitmitteln hergestellt werden, die Bruchdehnung im Wesentlichen
die gleiche ist wie jene von gegossenen Artikeln, die aus vorher
gemischten Pellets mit der gleichen Zusammensetzung gewonnen wurden.
