DE69209352T2

DE69209352T2 - Verbesserungen bei Kautschuk-Extrudern mit Kaltbeschickung

Info

Publication number: DE69209352T2
Application number: DE69209352T
Authority: DE
Inventors: Paul Meyer
Original assignee: Frenkel CD AG Liechtenstein
Current assignee: Frenkel CD AG Liechtenstein
Priority date: 1991-04-19
Filing date: 1992-04-14
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2012-04-15
Also published as: CA2066337A1; GB9108489D0; US5215374A; MX9201770A; JPH05131524A; EP0509779A3; EP0509779B1; DE69209352D1; EP0509779A2; GB2255039A

Description

Zusammenfassung

Ein Extruder für Gummimischungen, umfassend eine Schnecke (1), die rotierbar in einem Zylindermantel (2) montiert ist, hat einen Einlass (3) für zu extrudierendes Material, einen Kompressions-Abschnitt (4), einen Plastifizierabschnitt (5) und einen Auslassabschnitt (6). Der Plastifizierabschnitt (5) ist vom Typ Transfermix. Im Auslassabschnitt (6) hat die Schnecke (1) einen Umfangseinschnitt (17), der sich im wesentlichen bis zur Basis der Schneckennut erstreckt und der Zylindermantel hat einen Satz Stromunterbrecherstifte (18) um seinen Umfang verteilt. Die Stifte erstrecken sich radial und im wesentlichen bis zur Basis des Einschnitts (17) und passen lose darein. Drosselelemente (19) sind um die Stifte (18) angebracht und sind radial verschiebbar um ihre Drosselwirkung zu verstellen; in der Position der maximalen Drosselung verschliessen sie im wesentlichen den Flussquerschnitt der Schnecke.
Diese Erfindung bezieht sich auf Kaltfütter-Gummiextruder der Art, die einen Zylindermantel umfassen, in welchem eine Schnecke rotierbar montiert und angetrieben ist, um mit dem Zylindermantel zusammenzuwirken und die einen Einlass für das zu extrudierende Material, einen Kompressionsabschnitt, einen Plastifizierabschnitt und einen Auslassabschnitt haben, der zu einem Spritzkopf führen kann.
Extruder dieser Art haben in der Gummi-Industrie fortlaufend die Warmfütter-Extruder ersetzt, obzwar für gewisse Mischungen und Anwendungen diese immer noch in Verwendung sind. Mit weiteren Fortschritten hauptsächlich in den Plastifizier- Abschnitten der Kaltfütter-Extruder ist deren Bereich laufend erweitert worden auf Mischungen, die vorher Schwierigkeiten bereiteten wegen hoher Viskosität (Mooney-Werte), Nervigkeit (bei Naturkautschuk Mischungen), besonderer Härte, hohem Fülleranteil oder spezieller Empfindlichkeit gegen erhöhte Temperaturen.
Ein verbesserter Plastifizierabschnitt ist als "Transfermix" bekannt, nach US.A 2'744'287 (Reissue No 26 147), GB-A 842'692, US.A 4'136'969 und US.A 4'184'772. Dieser hat als generische Eigenschaft, daß in einer Transferzone, die über eine gemeinsame Länge von Schnecke und zylindermantel ausgeformt ist, in der Schnecke die Schraubennut von Voll-zu Null-Querschnittsfläche variiert und daß im zylindermantel der Querschnitt einer gegenläufigen Schraubennut von Null- zu Vollfläche variiert, wodurch in dieser Transferzone das Material von der Schnecke in den Zylindermantel transferiert und dabei gemischt und plastifiziert wird. Der Plastifizier- Abschnitt mag nur eine oder mehrere solche Transferzonen umfassen, wobei eine zweite in ihren Änderungen der Flächen der Schraubennutquerschnitte umgekehrt eingerichtet ist, um so einen Rücktransfer des Materials vom Zylindermantel in die Schnecke zu bewirken.
Für eine gegebene Gesamtquerschnittsfläche der Schraubennut in der Schnecke und der Schraubennut im Zylindermantel schafft eine solche Transfermix-Geometrie eine uniforme Wirkung von Flusszertielung und Rearrangement, wobei in einer Transfer- Zone jede Flussunterteilung nur einmal behandelt wird und keine widerholt behandelt oder ausgelassen wird. Das steht im Gegensatz zu anderen Plastifiziersystemen, die in verschiedenen Ausmassen nicht uniform wirken und daher weniger effektiv sind.
Es kann mathematisch bewiesen werden, dass für die frühere (1956) Generation von Transfermix, die in jeder Transferzone die Schraubennuten in der Schnecke und im Zylinder jeweils durchgängig und mit im wesentlichen gleicher Steigung hatten, die Anzahl dieser dadurch begrenzt wurde, dass der Vorwärts- Transport, der mittels Übertragung der Scheerbeanspruchung im Gummi stattzufinden hat, bei einer Vergrösserung der Gangzahl nicht mehr effektiv war. Vereinfacht ausgedrückt bedeutet das, daß unter diesen Umständen die Schraubennuten zu eng und zu tief geworden wären, sodaß keine Vorwärtsbewegung nahe dem Nutengrund als Konsequenz der relativen Rotation von Schnecke und Zylinder mehr stattfinden könnte und die Schraubennuten daher auch nicht mehr selbstreinigend wirken könnten.
Diese Begrenzung ist zu einem grossen Teil in der zweiten Generation von transfermix (1979) überwunden worden dadurch, daß die Anzahl der Schraubennuten jewiels in der Schnecke und im Zylindermantel sich längs der gleichen Transferzone umgekehrt entwickelt. Dadurch kann das Verhältniss von Breite zu Tiefe der einzelnen Schraubennuten ein derartiges gehalten werden, daß der Materialtransport und dadurch die wichtige Eigenschaft der Selbstreinigung aufrechterhalten bleibt. Weiterhin können durch die grössere Nutenzahl eine viel intensivere Flusszerteilung und Rearrangement erreicht werden und das für jeden Durchmesser von Transfermix. Daher die Bezeichung "Multi Cut Transfermix" und die beträchtliche Erweiterung seines Plastifikationsbereiches auf schwerer extrudierbare Mischungen. Auch ergab dies die Lösung des Problems des "Scale-Up", wodurch eine gleiche Intensität der Plastifikation für jeden Durchmesser einer Serie von Extrudern von gleichn Umrißdimensionen, wie etwa dem L/D Verhältnis, erreicht wird.
Als Beispiel ein Transfermix von 95 mm mittlerem Durchmesser: In der ersten Generation war die maximale Anzahl von Schneckennuten sowohl in der Schnecke wie im Zylindermantel etwa 4 - 6, wodurch sich von 4x4 = 16 bis 6x6 = 36 Unterteilungen ergaben, gegen 40 bis 80 Unterteilungen in einem "Multi Cut Transfermix".
Diese im Vergleich zu anderen Plastifiziergeometrien äusserst konzentrierte Wirkung hat für beide Generationen von Transfermix zu Transferzonen mit L/D-Verhältnis von 1 bis 5 geführt. Darin wurden leicht zu extrudierende Mischungen homogen mit relativ niederen Temperaturen plastifiziert bei Durchsätzen, die nur durch den Werkzeugwiderstand begrenzt waren, wührend für 'schwierigere' Mischungen verschidene Grade von Drosselung zusätzlich zum Werkzeugwiderstand die nötige Homogenität der Plastifikation brachten. Das hat den Bereich der im Transfermix extrudierbaren Mischungen sehr erweitert im Vergleich zu anderen Plastifiziersystemen.
Da eine Transfermix Plastifizierzone mit ihren gegenläufigen Schraubennuten jeweils in der Schnecke und im Zylindermantel eine kräftige Pumpwirkung gerade auf nur teilplastifiziertes und daher zähes Material ausübt, welches eine Mehrfaches des normalen Durchsatzes im teilplastifizierten Zustand bewirkt, wurde unter solchen Umständen eine sehr hohe Drosselwirkung, bis zur einer 95% Blockierung des Flussquerschnittes für nötig befunden.
Als eine für diesen Zweck nützliche Vorrichtung wurde ein Satz radial arrangierter konischer Stifte befunden, die in einem Einschnitt in der Schnecke direkt hinter einem Transfermix- Plastifizierabschnitt angeordnet waren. Wenn diese radial soweit nach Innen gesetzt waren, daß sie fast den Schneckengrund berührten, konnten sie die zum Durchfluss freie Fläche bis auf etwa 5% reduzieren und wenn sie nach Aussen gesetzt waren, konnten sie die projizierte Durchflussfläche voll offen lassen.
Es wurde in der Praxis festgestellt, daß wenn sine solche Drossel teilweise in verschiedenen Ausmaßen zugemacht war, sie verschiedene Wirkungen produzierte. Am Anfang des Schliessens hat die Drossel den Vorwärtstransport verstärkt, indem sie die Rotation eines äußeren ringes des Materials aufhielt der, nachdem er von der rotierenden Schnecke ergriffen wurde, eine lokale Druckerhöhung hervorbrachte. Nur wenn die Drosselstifte teifer hineingeschoben wurden, fing die Drosselaktion an, die aber dann von einer Knetwirkung begleitet war, welche verschidene Tiefen des Materialflusses verschiden erfaßte.
Es ist ein Ziel dieser Erfindung, eine Drosselvorrichtung zum Einsatz im Auslaßabschnitt einer Schnecke zu liefern, welche eine flußunterbrechende und knetende Wirkung über die gesamte Tiefe der Schneckennut verursacht.
Nach der jetzigen Erfindung verkörpert in einem Extruder der genannten Art der Plastifizierabschnitt eine Transfermix- Geometrie, in welcher die Schraubennut in der Schnecke in ihrem Querschnitt von voller Fläche zu Null-Fläche variiert und in einer im wesentlichen entsprechenden Länge des Zylindermantels der Querschnitt einer gegenläufigen Schraubennut von Null Fläche zu voller Fläche variiert, wodurch in Funktion das Material von der Schnecke in den zylindermantel transferiert und gemischt und plastifiziert wird. Im Auslaßabschnitt hat die Schnecke einen einschnitt um den gesamten Umfang, dessen radiale Tiefe im wesentlichen die gleiche ist als die Teife der Schraubennut und der Zylinder- Mantel ist an der Stelle des Einschnittes mit einem Satz von Stromunterbrechern, die um den Umfang verteilt sind, versehen.
Diese erstrecken sich radial nach innen und im wesentlichen über die Tiefe des Einschnitts, sind im Zylindermantel fest angebracht und passen lose in den einschnitt in der Schnecke. Drosselelemente sind vorgesehen zur Zusammenwirkung mit den Stromunterbrechern, wobei die Drosselelemente durch Positioniervorrichtungen radial verstellbar sind und minimales Drosseln bewirken, wenn sie radial auswärts positioniert sind und maximales Drosseln bewirken, wenn sie radial innen sind.
Die Drosselelemente können die Stromunterbrecher in enger Passung umfassen, um eine Reinigungswirkung auf die Stromunterbrecher auszuüben, wenn sie nach innen verschoben werden, speziell als Teil eines Säuberungszyklus am Ende einer Extrusion. Des weiteren können die Stromunterbrecher von runden Stiften dargestellt sein und die Drosselelemente Ringe von größerem Durchmesser, die an ihren radial inneren Enden konisch geformt sind so, daß in der Innenposition diese radialen Enden im wesentlichen den Flußquerschnitt der Schnecke verschließen. Alternativ können die Drosselelemente Stifte von viereckigen Querschnitt sein, die an ihren inneren Enden zugespitzt sind. Die Stromunterbrecher können die Form von Schaufeln haben, die den Materialfluß umlenken.
Die Erfindung wird jetzt in einigem Detail mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben, worin:

Bild 1

ein Vertikal-Schnitt durch einen Extruder ist, der eine erfindungsgemäße Drossel aufweist;

Bild 2

eine vergrößerte Ansicht der Drossel- Vorrichtung von Bild 1 ist;

Bild 3

eine Seitenansicht im Teilschnitt der in Bild 2 gezeigten Drossel ist; und

Bild 4

ein Schnitt durch eine entwickelte Ansicht eines Teils einer Drossel ist, die eine alternative Form eines Drosselelementes und eine alternative Form eines Stromunterbrechers zeigt.
Der in Bild 1 gezeigte Extruder umfaßt eine Schnecke 1 (ungeschnitten gezeigt), rotierbar in einem Zylindermantel 2 montiert, und einen Einlaßabschnitt 3 für zu extrudierendes Material, einen Kompressionsabschnitt 4, einen Plastifizierabschnitt 5 und einen Auslaßabschnitt 6. Der Zylindermantel hat Kanäle 7 und 8 für eine Heiz/Kühl-Flüssigkeit. Die Zylinderteile, die die Schnecke 1 umgeben sind als Buchsen ausgebildet. Im Auslaßabschnitt 6 ist dies eine innen zylindrische Buchse 9 währen im Plastizierabschnitt dies eine an der Innensetie als Transfermixteil ausgebildete Buchse 10 ist, die mit einem entsprechenden Transfermix Abschnitt 11 der Schnecke zusammenwirkt, wie in US-A-4'136'969 und/oder US-A-4'184'772. Im Kompressionsabschnitt 4 ist dies eine Buchse 12 und unter dem Einlaß 3 eine Buchse 13. Eine Füttertasche 14 in Buchse 13 erstreckt sich unter dem Einlaß 3 und geht über in einen sprialen Unterschnitt 15 in Buchse 12, der mit kontinuierlich reduzierender Breite sich 360º um die Schnecke herum erstreckt bis ungefähr zum Ende des Kompressionsabschnittes, wie in US-A 4'462'692 gezeigt.
Mindestens über die Länge des Einlasses 3, aber auch über einen Teil der Länge des Kompressionsabschnittes 4 hat die Exgruderschnecke Einkerbungen 16 in ihren Gängen, die unter einem beträchtlich größeren Winkel als der Steigungswinkel der Schnecke geschnitten sind - vorzusweise unter einem Winkel von 45º, während der normal Schneckensteigungswinkel zwischen 20º und 25º ist. Diese Einkerbungen können zu Anfang um die halbe tiefe der Schneckennut haben, um dann im Kompressions- Abschnitt nach Null-Tiefe zu tendieren. Dieses bewirkt eine Reduktion des Flußvolumens längs der Schnecke parallel zu der Reduktion, die der spirale Unterschnitt 15 im Kompressions- Abschnitt bewirkt. In der Praxis hat sich beispielsweise eine Kerbbreite von 20 - 30 mm, gemessen längs dem Schneckenkamm und mit gleichen Abständern zwischen den Kerben, als effektiv erwiesen. Eine Hauptfunktion der Einkerbungen ist es, Kanten zu liefern, die frisches Material in die Schnecke hinein ziehen, proportional zur Schneckengeschwindigkeit.
Des weiteren können die Einkerbungen 16 in Zusammenwirkung mit dem Unterschnitt 15 eine Vorplastifizierwirkung für zähe oder harte Mischung liefern, wodurch in der Schnecke eine zusammenhängende Masse von Rückquatsch vermischt mit Stücken von unplastizierten Material gebildet wird.
Unmittelbar nach dem Transfermixplastizierabschnitt 5 hat in dem Auslaßabschnitt 6 die Schnecke 1 einen Einschnitt 17 der sich um den ganzen Umfang und bis zur Tiefe der Schneckennut erstreckt, und einen Satz von Stromunterbrechern, die von 8 Stiften 18 gebildet werden, die in den einschnitt 17 hineinragen. Die Stifte 18 sind im Zylindermantel fest angebracht und erstrecken sich radial bis im wesentlichen auf den Grund der Schneckennut, wobei sie in dem einschnitt eine lose Passung haben. Jeder Stift 18 ist, umgeben von einem Drosselelement 19, das durch eine Postioniervorrichtung radial beweglich ist. Jedes Drosselelement 19 ist am radialen inneren Ende konisch geformt, so, daß diese zusammen die Kreisringfläche des einschnittes 17 im wesentlichen verschließen, wenn die Drosselelement radial innen sitzen. Das ist in Bild 2 und 3, oberhalb der horizontalen Mittellinie gezeigt; unterhalb der Mittellinie ist ein Drosselelement radial außen positioniert abgebildet.
Bild 3 ist eine Außenansicht der Endflansch des Auslaß- Abschnittes 6, teilweise im Schnitt um die Drosselelemente 19 von außen zu zeigen oberhalb der Mittellinie und im Schnitt durch eines der Drosselelemente unterhalb der Mittellinie, welches zurückgezogen ist.
Die Positioniervorrichtung, die die Drosselelemente radial ein und aus bewegt umfaßt zwei kreisringförmige Platten 20, die rotierbar auf dem Zylindermantel montiert sind. Die Platten haben gekrümmte Schlitze 21, die von runden Querstiften 22 an jedem der Drosselelemente engagiert sind. Die ringförmigen Platten 20 werden von einem Außenring 23 zusammengehalten der, wie jede der Platten, in zwei Hälften hergestellt ist, so daß die gesamte Vorrichtung von außen zusammengebaut und verschraubt werden kann. Eine als Diagramm angedeutete Vorrichtung 24 kann eine Drehung der Kreisringplatten 20 um ein Achtel ihres Umfangs bewirken. Damit können die Drossel- Elemente radial herein und heraus bewegt und in jeder gewünschten Position festgestellt werden.
Der Extruder kann mit den Drosselelementen in der offenen Position gefahren werden und dabei einen Bereich von normal extrusionsfähigen Mischungen abdecken. Schwer plastifizierbare Mischungen werden unter diesen Umständen als ungenügend plastifiziertes Extrudat mit Einschluss kühleren Klumpen und mit größeren Durchsätzen transportiert werden. Dann werden die Drosselelemente hereingefahren bis das Extrudat zu einem erforderlichen Grad uniform und glatt produziert wird. Für zähe, nervige und hochgefüllte Mischungen, die auf anderen Extrudern nicht plastiziert werden können, können die Drosselelemente bis zu etwa 95% des Flußquerschnittes blockieren, während der Extruder für seine Größe immer noch gute Durchsätze mit guter Qualität bringt.
Der Vorteil, den die Stromunterbrecher 17 liefern, im Vergleich zu einer Drossel, die nur aus radial beweglichen elementen besteht, ist der von gleichförmiger Wirkung über die gesamte Tiefe der Schneckennut, gleich ob die Drosselelemente 19 mehr oder weniger eingefahren sind. Gleichzeitig liefern die Stromunterbrecher einen zusätzlichen Druckaufbau mit positiver Wirkung auf den Durchsatz.
In einem kürzlich gefahrenen Versuch auf einen Transfermix von 95 mm mittleren Durchmesser war diese Durchsatzverbesserung mahr als 10%, bei einer nervigen Mischung, welche die Drosselelemente etwa 85% eingefahren erforderte, bei der höchsten Schneckengeschwindigkeit, die vorher möglich war und wobei eine reduzierte Extrusionstemperatur gemessen wurde. Bei einer höheren Schneckengeschwindigkeit um die erlaubte Extrusionstemperatur voll auszureizen ergaben sich zusätzliche 12% mehr Durchsatz. Insgesamt wear die Durchsatzverbesserung durch die vorliegende Erfindung mehr als 20% bei eher besserer Qualität des Extrudates.
Der Transfermix Plastifizierabschnitt ist generall selbstreinigend für alle Mischungen außer schmierenden, die auch in einem normalen Schneckenextruder festsitzen würden. Die erfindungsgemässe Drossel mit Stromunterbrechern kann auch selbstreinigend am Ende einer Extrusionsaktion gemacht werden: Zuerst werden die Drosselelemente 19 geöffnet um dem Transfermix Gelegenheit zu geben seine Selbstreinigung durchzuführen. Dann können die Drosselelemente langsam eingefahren werden, um Mischungsreste zwischen ihnen herauszuquetschen und solche von den Stromunterbrechern abzukratzen. Wie man von Stiftzylinderextrudern weiß, bleibt in diesen schon plastifizierte Mischung in Flußrichung hinten an den Stiften kleben. Solche Ablagerungen werden durch diese Erfindung für die Stromunterbrecher abgebaut. Wenn die Drosselelemente langsam wieder geöffnet werden, werden dann gelöste Mischungsteile von der Schnecke ergriffen und werden als kleine Pellets bis ans Ende der Schnecke befördert.
Bild 4 zeigt eine alternative viereckige Form 25 von Drosselelementen, wobei die Stromunterbrecher als gekrümmte Schaufel 26 ausgeformt sind. Die letzteren sind so gerichtet, daß sie den materialfluß weitmöglichst umlenken, so daß der Druckaufbau beim Eintritt in die rotierende Schnecke maximiert wird, - eine Aktion analog zu einem Satz Statoren in einer Axialflußpumpe. Die viereckigen Querschnitte der Drosselelemente liefern eine intensivere Drosselaktion, indem sie Flußkanäle liefern, deren Länge fast gleich der Breite des Einschnittes 17 in der Schnecke sind.

Claims

1. Extruder für Gummimischungen mit folgenden Merkmalen: ein Zylindezmantel (2), in welchem eine Schnecke (1) drehbar gelagert und zum Zusammenwirken mit dem Zylindermantel (2) angetrieben wird;

der Extruder weist aufeinander folgend einen Einlass (3) für das zu extrudierende Material, einen Kompressions- Abschnitt (4), einen Plastifizierabschnitt (5) und einen Auslassabschhitt (6) auf;

der Plastifizierabschnitt (5) verkörpert eine Transfermix - Geometrie in welcher eine Schraubennut in der Schnecke (1) hinsichtlich ihres Querschnittes von voller Fläche zu Null Fläche variiert Und in der im wesentlichen entsprechenden Länge des Zylindezmantels (2) der Querschnitt einer entgegengesetzt laufenden Schraubennut von Null Fläche zu voller Fläche variiert, wobei das Material beim Betrieb der Schnecke (1) in den Zylindermantel (2) übertragen wird, während es gemischt und plastifiziert wird;

Im Auslassabschnitt (6) weist die Schnecke (1) einen Umfangseinschnitt (17) auf, dessen radiale Tiefe im wesentlichen die gleiche wie die radiale Tiefe der Schraubennut der Schnecke (1) ist und wo der Zylindermantel (2) an der Stelle des Einschnitts (17) mit einem Satz von Stromunterbrechern (18) versehen ist, die um den Umfang herum angeordnet sind und sich radial Und im wesentlichen bis Zum Boden des Einschnitts (17) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, daß

die Stromunterbrecher (18) in dem Zylindermantel (2) befestigt sind und lose in den Einschzlitt (17) der Schnecke (1) hineinpassen und daß Drosselelemente (19) zur Zusammenwirkung mit den Stromunterbrechern vorgesehen sind, wobei die Drosselelemente (19) für radiale Verschiebung mittels Positioniereinrichtungen (21, 24) angebracht sind und minimales Drosseln bewirken, wenn die Drosselelemente (19) radial auswärts gelegen sind , und maximales Drosseln bewirken, wenn sie radial einwärts gelegen sind.

2. Extruder nach Anspruch 1, bei welchem die Drosselelemente (19) die Stromunterbrecher (18) umfassend und in enger Fassung zu diesen vorgesehen sind, um eine Reinigungswirkung auf die Stromunterbrecher auszuüben, wenn sie nach innen verschoben werden.

3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, bei weichem die Stromunterbrecher runde Stifte (18) sind und die Drosselelemente durch Ringe (19) grösseren Durchmessers mit radial innen konischen Enden gebildet werden, so daß, wenn sie radial nach innen bewegt werden, diese komischen Enden im wesentlichen den Stromquerschnitt der Schnecke verschließen.

4. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Drosselelemente (25) von rechteckförmigem Querschnitt und mit Schrägflächen an ihren radial inneren Enden versehen sind, so daß wenn sie radial nach innen bewegt werden, diese schra gen Enden den Stromquerschnitt der Schnecke über den grössten Teil der Länge des Einschnitts in der Schnecke im wesentlichen verschliessen.

5. Extruder nach Anspruch 1, 2 oder 4, bei welchem die Strdmunterbrecher gekrummte Schaufeln (26) darstellen, um den Strom des Materials umzulenken.

6. Extruder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Umfangseinschnitt (17) sich im wesentlichen bis zum Boden der Schraubennut der Schnecke erstreckt.