DE19852493B4

DE19852493B4 - Extruder mit Entgasung

Info

Publication number: DE19852493B4
Application number: DE19852493A
Authority: DE
Inventors: Harald Rust
Original assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Current assignee: Entex Rust and Mitschke GmbH
Priority date: 1998-11-15
Filing date: 1998-11-15
Publication date: 2010-04-08
Anticipated expiration: 2018-11-16
Also published as: DE19852493A1

Abstract

Verfahren zur Entgasung von Kunststoffen, Lebensmitteln und anderen extrudierbaren Materialien mit flüchtigen Bestandteilen in einem Extruder, wobei die Schmelze aus dem Extruder abgezogen, anschließend entgast und dem Extruder wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entgasung ein Planetwalzenextruder verwendet wird, wobei der Planetwalzeneextruder (8) senkrecht und mit nach unten weisender Austragsöffnung über dem anderen Extruder stehend angeordnet wird und an dem Planetwalzenextruder (8) die Saugkraft eines Unterdruckes angelegt wird, die geringer als die Förderwirkung des Planetwalzenextruders (8) ist und/oder geringer als das Gewicht der der Saugkraft des Unterdruckes ausgesetzten Schmelzepartikel ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entgasen in einem Extruder nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Extruder finden insbesondere zur Kunststoffverarbeitung Verwendung. Dabei wird der Kunststoff in der Regel in Form eines Granulates eingesetzt und durch den Extruder plastifiziert und in eine Düse ausgetragen, die den plastifizierten Kunststoff in eine gewünschte Form bringt.
Über das Plastifizieren hinaus ist die Aufgabe des Extruders, die Schmelze zu homogenisieren. Zumeist müssen Additive und Zuschläge verarbeitet werden. Auch das kann im Extruder erfolgen. In diesem Fall hat der Extruder die Aufgabe, Zuschläge und Additive gleichmäßig zu verteilen.
Extruder finden unter anderem auch in der Lebensmittelindustrie und in der Chemie Anwendung.
Extruder kommen in verschiedenen Bauformen vor, Bekannt sind Einschneckenextruder, Doppelschneckenextruder und Planetwalzenextruder.
Planetwalzenextruder haben im Verhältnis zu anderen genannten Extrudern eine extreme Plastifizierungswirkung. Dies eröffnet die Möglichkeit, Rohstoffe zu bearbeiten, die in den anderen Extrudern gar nicht oder nur mangelhaft einsetzbar sind. Planetwalzenextruder können aber auch genutzt werden, um die Produktionsleistung erheblich zu erhöhen.
Alle Extruder haben gemeinsam, daß in der Schmelze bzw. in dem Einsatzgut/Behandlungsgut gasförmige Bestandteile auftreten können. Dabei kann es sich um Bestandteile handeln, die von Anfang an unerwünscht waren. Solche Bestandteile können z. B. Wasser sein. Einige Thermoplaste bzw. Füllstoffe nehmen Wasser auf. Entweder müssen diese Thermoplaste oder Füllstoffe vorgetrocknet werden oder aber der im Extruder entstehende Dampf muß abgezogen und entgast werden,
Gasförmige Bestandteile, die am Anfang erwünscht und im weiteren Verarbeitungsvorgang unerwünscht sind, können Lösungsmittel, Reaktionsbeschleuniger oder Reaktionsinhibitoren bzw. inerte Gase sein. Soweit kein vollständiger chemischer Umsatz dieses Gases erfolgt, verbleiben Rückstände mit monomeren, oligomeren Abbauprodukten und Zersetzungsprodukten.
Flüchtige Bestandteile in der Schmelze betragen häufig mehr als 3 bis 4 Gew% und dürfen in extrudierten Polymeren meist nicht über 0,2 Gew% liegen. Es gibt verschiedene Gründe, die Entgasung zu verbessern. Dazu gehören
Verbesserung der Produktqualität, Vermeidung gesundheitlicher
Schädigung
Verringerung der Kosten
Verhindern eines chemischen Abbaus
Durchführung weiterer Verfahrensschritte
Zum Entgasen werden unterschiedliche Geräte angeboten. Zumeist wird die Entgasung am Extruder vorgenommen. Zunächst wird dazu am Extruder eine Entgasungszone definiert. Beim Extruder sind folgende Zonen bekannt:
Einzugszone, Kompressionszone, erste Plastifizierungs- und
Homogenisierungszone, Dekompressionszone, zweite Plastifizierungs- und Homogenisierungszone.
Die Entgasung findet wahlweise in der Weise statt, daß der Mantel des Extruders mit einer geeigneten Öffnung versehen und eine Saugleitung angeschlossen wird. Bei Kaskadenextruderanlagen bzw. Tandemextruderanlagen findet die Entgasung zumeist zwischen dem Primärteil und dem Sekundärteil statt.
Im Betrieb zeigt sich, daß die Entgasungszone eine relativ sensible Zone ist. Hier gilt es, eine möglichst optimale Trennung von Gas und Schmelze bzw. von Gas und Einsatzgut zu erreichen.
Zur Verbesserung der Entgasung ist es aus der DE 19548136 A1 bekannt, die Schmelze aus dem Extruder abzuziehen, anschließend zu entgasen und dem Extruder wieder zuzuführen.
Aus der DE 4001988 C1 ist eine Vorrichtung mit einer Anordnung von drei hintereinandergeschalteten Einrichtungen bekannt. Die erste Einrichtung ist ein Schneckenextruder, aus dem die Schmelze in eine Be- und Entgasungseinrichtung gefördert wird. Von dort wird die Schmelze einem weiteren Extruder oder Granulator zugeführt. Dies beinhaltet aber ein anderes Verfahren als das der DE 19548136 A1 .
In der DE 4001988 C1 wird bei der Be- und Entgasungsvorrichtung nicht von einem Extruder gesprochen. Die Be- und Entgasungseinrichtung weist ein innen verzahntes Gehäuse mit darin umlaufenden Planetenspindeln sowie einer darin mittig und drehbeweglich angeordneten Welle auf. Im ersten und dritten Abschnitt ist die Welle als Zentralspindel ausgebildet, dazwischen als Lochwelle ohne Verzahnung. Die Lochwelle dient dem Gasabzug. Während in dem ersten und dritten Bereich von einem Planetwalzenextruderabschnitt gesprochen werden kann, besitzt der dazwischen liegende Bereich keine vergleichbaren Eigenschaften.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine bessere Entgasung zu bewirken. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Nach der Erfindung wird eine weitere Verbesserung der Schmelzeentgasung dadurch erreicht, daß zur Entgasung ein Planetwalzenextruder verwendet wird und der Planetwalzenextruder senkrecht und mit nach unten weisender Austragsöffnung über dem anderen Extruder stehend angeordnet wird und an dem Planetwalzenextruder die Saugkraft eines Unterdruckes angelegt wird, die geringer als die Förderwirkung des Planetwalzenextruders ist und/oder geringer als das Gewicht der der Saugkraft des Unterdruckes ausgesetzten Schmelzepartikel ist.
Von Heraussaugen wird nach der Erfindung gesprochen, wenn der Schmelzeaustritt von einem Druck kleiner 1 bar bewirkt wird. Ein Schmelzeaustritt aufgrund eines größeren Druckes wird als Herausdrücken bezeichnet. Dabei kann der Innendruck des Extruders genutzt werden, aus dem die Schmelze zur Entgasung abgezogen werden soll.
Zum Herausdrücken der Schmelze kann der Schmelzedurchtritt mit einem Blister oder eine Stauscheibe/Stauring verschlossen werden. Dabei handelt es sich um eine Ring, der im Gehäuse sitzt und die Schnecke umschließt, oder um einen Ring, der auf der Schnecke sitzt und den Zwischenraum zum Gehäuse ausfüllt.
Vor dem Ring ist eine Gehäuseöffnung vorgesehen, durch welche die angeförderte Schmelze entweichen kann. Die entgaste Schmelze wird hinter dem Ring wieder zugeführt.
Besonders günstige Verhältnisse können sich ergeben, wenn zwischen dem Planetwalzenextruder und der Extrusionslinie eine Pumpe vorgesehen ist. Das gilt sowohl für ein Heraussaugen der Schmelze als auch bei einem Herausdrücken der Schmelze. Die Pumpe kann im einen Fall den Saugzug erzeugen und im anderen Fall den Schmelzeanfall in den Entgasungsextruder regeln.
Der Entgasungsextruder steht vorzugsweise vertikal. Bei üblichem horizontalem Verlauf der Extrusionslinie ergibt sich dadurch eine Anordnung senkrecht zur Extrusionslinie. Die vertikale Anordnung erlaubt es, die Schmelze einzugseitig drucklos in den Entgasungsextruder einzuspeisen. Zugleich bewirken die Planetenspindeln ein vielfaches feines Auswalzen der Schmelze, so daß eine extreme Schmelzefläche erzeugt wird und die Gase optimal aus der Schmelze entweichen können.
Das Entweichen der Gase kann noch durch Anlegen eines Unterdruckes gesteigert werden. Dabei ist keine Gefahr eines Mitreißen von Schmelzepartikeln gegeben, solange das Gewicht gefährdeter Schmelzepartikel größer als die angreifende Saugkraft des Unterdruckes ist und/oder die auf die Schmelze wirkende Förderkraft des Entgasungsextruders größer bzw. zusammen mit dem Gewicht der Schmelze größer als die angreifende Saugkraft des Unterdruckes ist.
Für die erfindungsgemäße Entgasung ist auch günstig, wenn in der Extrusionslinie Planetwalzenextruder stehen. Neben den oben angesprochenen Systemvorteilen eines Planetwalzenextruders hat das den Vorteil, daß ein Planetwalzenextruder einen Rückstau aus der Schmelzestromregelung vor dem Entgasungsextruder leichter als ein Extruder anderer Bauart verarbeitet.
Ferner entfaltet die erfindungsgemäße Entgasung im Vergleich zu anderen Entgasungen besondere Vorteile bei einstufigen Extrusionslinien mit einem einzigen Extruder, der alle gewünschten Zonen in sich vereinigt. Der Entgasungsextruder ist dann ein zusätzlicher Extruder, der vorzugsweise vertikal über der Extrusionslinie angeordnet ist. Es kann auch eine Anordnung an anderer Stelle erfolgen.
Die Erfindung entfaltet auch in mehrstufigen Extrusionsanlagen wesentliche Vorteile. Das gilt für Tandem/Kaskadenanlagen wie auch für andere Anlagen mit unabhängig voneinander betreibbaren aber miteinander fluchtenden Schnecken.
Auch, wenn die Extrusionslinie durch einen einzigen Extruder, z. B. einen Einschneckenextruder gebildet wird, besteht die Extrusionslinie üblicherweise aus Abschnitten. Das gilt sowohl für das Gehäuse als auch für die Schnecke. Die abschnittsweise Gestaltung des Gehäuses hat den Vorteil einer besseren Temperaturführung der Gehäusekühlung. Die einzelnen Gehäuseabschnitte sind nämlich in der Regel doppelwandig mit einer Kühlmittelführung in dem Hohlmantel ausgeführt. Für jeden Gehäuseabschnitt kann ein eigener Kühlkreis eingesetzt werden, so daß mit kürzer werdender Länge der Gehäuseabschnitte eine immer genauer Kühlung möglich ist.
In der Aufschmelzzone kann auch eine Beheizung statt Kühlung zweckmäßig sein. Die Beheizung erfolgt entsprechend der Kühlung, wobei das zur Beheizung verwendete Medium, z. B. Öl oder Wasser, eine Heiztemperatur statt einer Kühltemperatur aufweist. Die abschnittsweise Gestaltung des Gehäuses hat noch andere Vorteile, nämlich die der Modulbauweise, weiterer Fertigungsvorteile und der Reparaturvorteile.
Die abschnittsweise Gestaltung der Schnecke wird durch einen Zuganker möglich, der sich durch die Schneckenabschnitte erstreckt und die Schneckenabschnitte gegeneinander verspannt. Für die Schnecke ergeben sich ähnliche Vorteile wie für die Gehäuseabschnitte.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Nach 1 ist ein Extruder mit einem Getriebe 1 und Extruderabschnitten 2, 3 und 4 versehen. Die Abschnitte 2, 3 und 4 sind an Flanschen 5 miteinander verschraubt. Die Abschnitte 2, 3 und 4 besitzen eine gemeinsame Schnecke, die sich durch alle Abschnitte erstreckt.
Der Extruder dient zur Erzeugung einer Kunststoffschmelze für die Pulverlackherstellung. Das Ausgangsmaterial wird an dem als Einschneckenteil ausgebildeten Extruderabschnitt 2 in nicht dargestellter Form durch einen Trichter in Granulatform mit zweckmäßigen Zuschlägen aufgegeben. Der Abschnitt 2 bildet eine Einzug- und Kompressionszone für das Einsatzmaterial. Im Abschnitt 2 füllt die Schnecke das Gehäuse des Extruders aus.
In dem als Planetwalzenextruderteil ausgebildeten Abschnitt 3 wird das Einsatzmaterial aufgeschmolzen und homogenisiert. Die Zuschläge werden in der Schmelze dispergiert. Beim Komprimieren und Plastifizieren entsteht durch die Verformungsarbeit in erheblichem Umfang Wärme in dem Einsatzmaterial. Die entstandene Schmelze wird deshalb bereits im Abschnitt 3 gekühlt.
Am Ende ist der Abschnitt 3 verschlossen. Die Einzelheiten sind in 2 dargestellt. Dort bildet der Schneckenteil der für alle Abschnitte gemeinsamen Schnecke einen Zentralspindelteil 17 mit einer schematisch dargestellten Verzahnung 31. Zu der Verzahnung gehört ein Zahngrund 30. Um den Zentralspindelteil 17 herum laufen Planetenspindeln 18 mit einer Verzahnung 22. Zur Verzahnung 22 gehört ein Zahngrund 20. Die Planetenspindeln 18 kämmen mit dem Zentralspindelteil 17 und zugleich mit einer Verzahnung 23 einer Buchse 19. Zur Verzahnung 23 gehört ein Zahngrund 21.
Die Buchse 19 sitzt in dem Gehäuse des Extruderabschnittes 3.
Die Planetenspindeln 18 laufen gegen einen Anlaufring 15. Der Anlaufring 15 ist zwischen den Buchsen 19 der Abschnitte 3 und 4 gehalten.
Der Anlaufring 15 korrespondiert mit einem Bund 16 der gemeinsamen Schnecke. Der Spalt zwischen dem Anlaufring 15 und dem Bund 16 ist derart (eng) ausgelegt, daß die Drehung der gemeinsamen Schnecke zwar nicht behindert wird, aber kein wesentlicher Schmelzedurchtritt durch den Spalt erfolgt. Auf dem Wege ist der Schmelzedurchtritt im Extruder verschlossen.
Die in dem Extruderabschnitt 3 geförderte Schmelze strömt gegen den Anlaufring 15 und dort in eine Vielzahl gleichmäßig am Umfang(Stirnfläche) verteilter Austrittsöffnungen 25. Die Austrittsöffnungen setzen sich in Bohrungen fort und münden in eine gemeinsame Leitung 6. In der Leitung 6 sitzt eine Schmelzepumpe 9, mit der der Schmelzestrom geregelt werden kann.
Der geregelte Schmelzestrom wird im wesentlichen drucklos in einen als Planetwalzenextruder ausgebildeten Entgasungsextruder 8 eingespeist. Der Entgasungsextruder 8 steht vertikal über der durch die Abschnitte 2, 3 und 4 gebildeten Extrusionslinie.
In dem Entgasungsextruder gasen alle bei der Schmelzetemperatur flüchtigen Bestandteile aus der Schmelze aus. Das wird dadurch wesentlich begünstigt, daß der Planetwalzenextruder die Schmelze beim Durchgang mehrmals ganz dünn auswalzt. Das austretende Gas wird über eine Leitung 10 und ein Gebläse 11 abgezogen.
Die verbliebene Schmelze wird von dem Entgasungsextruder nach unten über eine Leitung 7 in den Extruderabschnitt 4 eingespeist. Die Leitung 7 mündet in eine Anzahl von Bohrungen und gleichmäßig am Umfang(Stirnfläche) des Anlaufringes 15 verteilter Eintrittsöffnungen 26.
Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen 150iger Extruder. Die Bezeichnung gibt den Durchmesser des Teilkreisdurchmessers der äußeren Verzahnung wieder. Die Anzahl der Öffnungen 25 und 26 beträgt im Ausführungsbeispiel jeweils 8, in anderen Ausführungsbeispiel 6 bis 10.
Der Extruderabschnitt 4 ist ein Kühlabschnitt, in dem die Schmelze auf langsam auf Austrittstemperatur abgekühlt wird. Der Schmelzeaustritt erfolgt durch eine nicht dargestellte Düse in eine Granulierung.

Claims

Verfahren zur Entgasung von Kunststoffen, Lebensmitteln und anderen extrudierbaren Materialien mit flüchtigen Bestandteilen in einem Extruder, wobei die Schmelze aus dem Extruder abgezogen, anschließend entgast und dem Extruder wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entgasung ein Planetwalzenextruder verwendet wird, wobei der Planetwalzeneextruder (8) senkrecht und mit nach unten weisender Austragsöffnung über dem anderen Extruder stehend angeordnet wird und an dem Planetwalzenextruder (8) die Saugkraft eines Unterdruckes angelegt wird, die geringer als die Förderwirkung des Planetwalzenextruders (8) ist und/oder geringer als das Gewicht der der Saugkraft des Unterdruckes ausgesetzten Schmelzepartikel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze aus dem Extruder herausgesaugt oder herausgedrückt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (9) in der Leitung (6) von dem Extruder zum Planetwalzenextruder (8) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die entgaste Schmelze von dem Planetwalzenextruder (8) in den Extruder gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze in dem Extruder am Austritt zum Planetwalzenextruder (8) gegen einen geschlossenen Schmelzedurchtritt gefahren wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blister (16) oder ein Stauring zum Verschließen des Schmelzedurchtrittes verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Planetwalzenextruderabschnitt (3) in dem Extruder am Austritt zum Planetwalzenextruder (8) verwendet wird, wobei das Ende des Planetwalzenextruderabschnittes (3) geschlossen ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzedurchtritt an dem Planetwalzenextruderabschnitt (3) mit einem Anlaufring (15) oder einem Blister (16) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anlaufring (15) mit Eintrittsöffnungen (25) für den Schmelzeaustritt zum Planetwalzenextruder (8) und/oder Austrittsöffnungen (26) für die Einspeisung entgaster Schmelze verwendet wird.