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Dokumentenidentifikation DE19536289A1 03.04.1997
Titel Verfahren zur Durchführung kontinuierlicher Aufbereitungsprozesse auf gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Extrudern
Anmelder Werner & Pfleiderer GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Munz, Rainer, Dipl.-Ing., 71540 Murrhardt, DE;
Herter, Rainer, Dipl.-Ing., 71254 Ditzingen, DE;
Burkhardt, Ulrich, Dipl.-Phys., 70372 Stuttgart, DE;
Häring, Erwin, Dipl.-Ing., 70159 Stuttgart, DE;
Heidemeyer, Peter, Dr.-Ing., 70437 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 29.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536289
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B29C 47/40
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zur Durchführung von kontinuierlichen Aufbereitungsprozessen auf gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Extrudern, wie Doppelschnecken- und Mehrwellenschneckenextrudern, wird der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von > 600 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten "Drehmomentdichte" (Md/a3) von mindestens 11 Nm/cm3 betrieben.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung kontinuierlicher Aufbereitungsprozesse auf gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Extrudern, wie Doppelschnecken- und Mehrwellenschneckenextrudern.

Gleichsinnig drehende, dichtkämmende Doppelschnecken- und Mehrwellenschneckenextruder werden für kontinuierliche Knetprozesse mit oder ohne Aufschmelzung eingesetzt. Hierbei sind häufig auch kontinuierliche Entgasungs-, Misch- und Expandiervorgänge integriert und in einigen Fällen werden die Extruder auch für Reaktionen eingesetzt.

Die verarbeitbaren Produkte umfassen Kunststoffe, Harze, Flüssigkeiten, zähplastische Massen, pulver- und faserförmige Zusatzstoffe sowie Foodmassen. Der Austrag kann beispielsweise über Filter und Formgebungsprozesse, wie Granulierungen oder Profilextrusion, stattfinden.

Es sind Extruder der eingangs genannten Art bekannt, bei denen der Schneckendurchmesser bis zu 340 mm beträgt. Die Durchsätze betragen 5.000 bis 35.000 kg/h bei einem Verhältnis Schneckenaußendurchmesser zu Schneckeninnendurchmesser (Da/Di) von 1,18 bis 1,25 bzw. von 1,4 bis 1,6. Das Verhältnis Drehmoment zu Volumen (Md/a³) - die sogenannte "Drehmomentdichte" - weist Werte zwischen 5 und 10 auf. Je nach Größe der Extruder werden Drehzahlen von 200 bis 500 Upm - in Ausnahmefällen auch bis 600 Upm - gefahren.

Die Auslegung der Extruder erfolgt üblicherweise nach dem Prinzip der geometrischen und drehmomentbezogenen Ähnlichkeit. Geometrische Ähnlichkeit besteht, wenn das Verhältnis Da/Di konstant ist; drehmomentbezogene Ähnlichkeit besteht, wenn das Verhältnis Md/a³ konstant ist.

Ein maßgeblicher Faktor für die Dispergier-, Misch- und Homogenisierungsgüte des verarbeiteten Produktes ist - neben der Schmelzetemperatur und der Verweilzeit - die Schergeschwindigkeit im schmelzegefüllten Schneckenkanal.

Für viele Prozesse gilt, daß die Misch-, Dispergier- und Homogenisierungsgüte umso höher ausfällt, je höher die Schergeschwindigkeit ist. Beim heutigen Stand der Extrudertechnik sind bei Standardaufbereitungsprozessen mittlere Schergeschwindigkeiten im Schmelzebereich von 20 bis 150 1/sec und mittlere Produktverweilzeiten im gesamten Schneckenbereich von 15 bis 60 sec üblich.

Bei herkömmlichen Extrudern werden die mittleren Schergeschwindigkeiten durch die Schneckendrehzahl und die durch das Verhältnis Da/Di dargestellte, sogenannte "Volumigkeit", nach oben begrenzt. Bei steigenden Schergeschwindigkeiten ergeben sich aber auch höhere spezifische Werte der Energieeinleitung, was zu inakzeptabel hohen Schmelzetemperaturen führen kann. Zusammen mit großen mittleren Verweilzeiten des Produktes im Extruder kann dies zu qualitätsmindernden Produktschädigungen führen, und zwar hinsichtlich des thermischen Aufbaus und der Vernetzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, qualitätserhöhende mittlere Schergeschwindigkeitsbereiche bis zu ≤ 1.000 1/sec bei gleichzeitiger Verkürzung der Einwirkdauer von Temperaturspitzen im Produkt zu realisieren, ohne daß die vorstehend beschriebenen Schwierigkeiten auftreten können.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von > 600 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten "Drehmomentdichte" (Md/a³) von mindestens 11 Nm/cm³ betrieben wird.

Bei der erfindungsgemäß gewählten erhöhten Drehmomentdichte (Md/a³) von mindestens 11 Nm/cm³ kann der Extruder ohne weiteres mit den hohen Schneckendrehzahlen betrieben werden, ohne daß sich eine unzulässig hohe spezifische Energieeinleitung ergibt. Als weiterer Vorteil ergibt sich ein sehr hoher Produktdurchsatz pro Zeiteinheit.

Um noch kürzere Produktverweilzeiten im Extruder zu erreichen, wird in Ausgestaltung der Erfindung der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von mindestens 800 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten Drehmomentdichte (Md/a³) von mindestens 11 Nm/cm³ betrieben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von bis zu 3.000 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten Drehmomentdichte (Md/a³) von bis zu 15 Nm/cm³ betrieben. Hierdurch ergeben sich - durch die dann möglichen hohen Durchsätze - besonders niedrige (mittlere) Produktverweilzeiten im Extruder.

Die sich aus den hohen Schneckendrehzahlen und den hohen Produktdurchsätzen ergebenden niedrigen Produktverweilzeiten von 1 bis 10 sec vermindern gleichzeitig die Neigung zum thermischen Abbau oder zur Vernetzung der Produkte.

Eine Erhöhung der Scheckendrehzahl ist innerhalb bestimmter Grenzen auch ohne eine Erhöhung der Drehmomentdichte (Md/a³) möglich. Durch die bei jedem Verfahren vorhandene maximale Obergrenze der spezifischen Energieeinleitung, die der maximal ertragbaren Schmelzetemperatur (ohne daß Produktschäden auftreten) entspricht, wird jedoch die maximale Schneckendrehzahl begrenzt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens der eingangs beschriebenen Art werden weitere Anwendungsbereiche erschlossen.

So kann das erfindungsgemäße Verfahren beispielsweise auch zum kontinuierlichen Vormischen im Feststoff- Förderbereich und zum Mahlen von grobkörnigen Schüttgütern zu Pulver verwendet werden. Es ist aber auch eine Kombination der beiden vorgenannten Prozesse möglich, also ein Homogenisierungsprozeß von Feststoffen, der gegenüber dem Homogenisieren in plastischer Phase deutlich weniger Energie benötigt.

Ein Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Reaktionsmaschinen ermöglicht darüber hinaus ein effektives Vormischen von Monomeren und Katalysator vor der Reaktion in der Inkubationszeit.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß beispielsweise Pigmente bei der Masterbatchherstellung wesentlich besser dispergiert werden können.

Nachfolgend wird die Erfindung mittels graphischer Darstellung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 "mittlerer spez. Energieeintrag";

Fig. 2 "Massendurchsatz und mittlere Produktverweilzeit im Extruder".

Versuche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden auf handelsüblichen ZSK-Maschinen (zweiwelliger Schneckenkneter mit gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Schneckenwellen) durchgeführt, wobei der Aufbau der Maschine (Schneckengeometrie, Misch- und Knetelemente so belassen wurde, wie dieser bisher für den jeweiligen Kunststoffaufbereitungsprozeß mit üblichen Drehzahlen von 200-400 UpM Verwendung fand.

Bei den Versuchen wurden Schneckendrehzahlen von weit über 1000 UpM gefahren und dabei überraschend festgestellt, daß bei gleichzeitiger Erhöhung der eingeleiteten Drehmomentdichte auf 11-14 Nm/cm³ keine wesentliche Erhöhung der Massetemperatur eintritt.

Selbst bei Erhöhung der Massetemperatur (z. B. PC > 350°C) auf unüblich hohe Schmelzetemperatur tritt keine Produktschädigung auf, da durch das erfindungsgemäße Verfahren die Verweilzeiten im Extruder weit unter 10 s liegen.

Fig. 1 zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen der Schneckendrehzahl (Schergeschwindigkeit) und der spezifischen Energieeinleitung für unterschiedliche Drehmomentdichten Md/a³. Unter der Voraussetzung, daß das verfügbare Drehmoment ausgelastet wird, ergeben sich mit steigender Drehmomentdichte (bei konstanter Drehzahl) höhere Durchsätze. Man erkennt, daß aus einer erhöhten Drehmomentdichte kleinere Energieeinleitungen und damit auch kleinere Schmelzetemperaturen resultieren. Andererseits ist zu sehen, daß eine Erhöhung der Schneckendrehzahl zwar generell auch zu einem höheren Massedurchsatz führt, dieser jedoch bei gegebener Drehmomentdichte mit einer erhöhten Energieeinleitung verbunden ist.

In Fig. 2 ist die Abhängigkeit zwischen Durchsatz und Verweilzeit dargestellt. Hier wird deutlich, daß mit Zunahme des Durchsatzes die Zeit, während der das Material hohen Temperaturen ausgesetzt ist, deutlich reduziert wird.

Durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß auch eine Massetemperatur, die bisherigen Erfahrungen nach zu einer Qualitätsminderung des Produktes führen mußte, bei genügend kurzer Einwirkdauer qualitätsunschädlich ist. Genügend kurze Verweilzeiten lassen sich jedoch nur durch erhöhte Durchsätze erzielen, die wiederum nur durch eine Erhöhung des möglichen Drehmomentes realisierbar sind, da sonst bei gegebener ( hoher) Drehzahl die Antriebsleistung der Maschine nicht mehr ausreicht.

Aus Fig. 1 ist auch ersichtlich, daß auch ohne Erhöhung der Drehmomentdichte eine Drehzahlerhöhung in bestimmten Grenzen möglich ist. Die jedem Verfahren anhängliche maximale Obergrenze der spezifischen Energieeinleitung (especmax entspricht der maximal ertragbaren Schmelzetemperatur ohne Produktschädigung bei einer vorgebenen Verweilzeit) begrenzt diese Drehzahl.

Die heute erhältlichen Maschinen weisen in der Regel Da/Di-Werte zwischen 1,4 und 1,6, sowie Md/a³-Werte zwischen 5 und 10 auf. Die Betriebsdrehzahlen betragen je nach Baugröße zwischen 200 und 500 UpM, in Ausnahmefällen auch bis 600 UpM.

Der Durchsatz und die Qualität des compoundierten Produktes hängen dabei von der eingesetzten Schneckengeometrie, der Drehzahl und dem maximalen Drehmoment der Maschine ab.

Jede Compoundierung hat zum Ziel, ein homogenes Endprodukt - in der Regel unter Einarbeitung von Zuschlagstoffen - zu erzielen. Die Zuschlagstoffe und vorhandene Inhomogenitäten müssen daher in der Maschine dispergiert und distributiv eingemischt werden. Zum Zerteilen von Partikeln sind mehr oder weniger große Schubspannungen erforderlich, die über die umgebende Matrix auf die Partikel übertragen werden müssen. Die Schubspannung τ ergibt sich nach der Gleichung



aus der Viskosität η des Matrixmediums und der dort aufgezwungenen Schergeschwindigkeit . Ein maßgeblicher Faktor für die Dispergier-, Misch- und Homogenisierungsgüte des verarbeiteten Produkts ist daher neben der Schmelzetemperatur und der Verweilzeit die Schergeschwindigkeit [1/sec] im schmelzegefüllten Schneckenkanal.

Betrachtet man diese vereinfacht als mittleren Wert aus dem Quotienten Schneckenumfangsgeschwindigkeit/Gangtiefe, so gilt (100% Füllgrad im Schneckenkanal vorausgesetzt):



oder



Für viele Prozesse gilt:

Je höher die Schergeschwindigkeit, desto höher ist die Misch-, Dispergier- und Homogenisierungsgüte. Beim heutigen Stand der Extrudertechnik sind bei Standardaufbereitungsprozessen mittlere Schergeschwindigkeiten im Schmelzebereich von 20 1/s bis 150 1/s und mittlere Produktverweilzeiten im gesamten Schneckenbereich von 15-60 s üblich.

Bei herkömmlichen Extrudern werden die mittleren Schergeschwindigkeiten wie aus Gleichung (2) ersichtlich, durch die Schneckendrehzahl und die durch Da/Di gekennzeichnete "Volumigkeit" nach oben begrenzt.

Bei steigenden Schergeschwindigkeiten ergeben sich durch die Beziehung



bzw.



aber auch höhere Werte der spezifischen Energieeinleitung espec, was wiederum zu unakzeptabel hohen Schmelzetemperaturen führen kann, da sich die Temperaturerhöhung der Schmelze aus der Gleichung ΔT = espec/cp berechnet (cp = spez. Wärmekapazität). Zusammen mit großen mittleren Verweilzeiten des Produktes im Extruder kann also eine hohe Schergeschwindigkeit auch zu qualitätsmindernden Produktschädigungen (thermischer Abbau oder Vernetzung) führen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei gleichsinnig drehenden Doppelschneckenexteudern mit Schneckendrehzahlen von 600-3000 UpM zusammen mit der Erhöhung der eingeleiteten Drehmomentdichte auf 11-15 Nm/cm³ können qualitätserhöhende mittlere Schergeschwindigkeiten bis zu 1000 1/s bei gleichzeitiger Verkürzung der Einwirkdauer von Temperaturspitzen im Produkt realisiert werden. Verwendete Formelzeichenspec mittlere spezifische Energieeinleitung [kWh/kg]

≙ mittlere Verweilzeit des Produkts im Extruder [s]

ρ Schmelzedichte [kg/m³]

mittlere Schergeschwindigkeit [1/sec]

mittlere dynamische Viskosität [Pa sec]

Da Schneckenaußendurchmesser [mm]

Di Schneckeninnendurchmesser [mm]

≙ Gangtiefe, gemittelt

ns Schneckendrehzahl [min-1] ([s-1])

Md Wellendrehmoment (bezogen auf 1 Welle) [Nm]

a &min;&min;&min; Achsabstand der Schneckenwellen [cm]

Vu Umfangsgeschwindigkeit der Schneckenwellen [m/s]

Md/a³ Drehmomentdichte, bezogen auf 1 Welle [Nm/cm³]

Schubspannung [N/mm²]

cp spezifische Enthalpie [kJ/kg*K]

≙ Massendurchsatz [kg/h]

ΔT Massetemperaturerhöhung [K]


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Durchführung von kontinuierlichen Aufbereitungsprozessen auf gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Extrudern, wie Doppelschnecken- und Mehrwellenschneckenextrudern, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von > 600 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten "Drehmomentdichte" (Md/a³) von mindestens 11 Nm/cm³ betrieben wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von mindestens 800 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten "Drehmomentdichte" (Md/a³) von mindestens 11 Nm/cm³ betrieben wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Extruder mit einer Schneckendrehzahl von bis zu 3.000 Upm bei gleichzeitiger Erhöhung der einleitbaren sogenannten "Drehmomentdichte" (Md/a³) von bis zu 15 Nm/cm³ betrieben wird.






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