DE60111754T2

DE60111754T2 - Vorrichtung zur herstellung von kunststoffgegenständen in einer inerten atmosphäre

Info

Publication number: DE60111754T2
Application number: DE60111754T
Authority: DE
Inventors: Olivier Negro; Sami Dick; Marc Leturmy; Stephane Melen
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2006-05-04
Anticipated expiration: 2021-09-11
Also published as: CA2421696A1; US7147460B2; US20040005379A1; AU8784001A; CN1191923C; CN1455728A; EP1318903A1; AU2001287840B2; DE60111754D1; FR2813817B1; JP2004508970A; JP4786861B2; ES2243548T3; EP1318903B1; WO2002022342A1; BR0113865A; ATE298658T1; FR2813817A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Formung von Gegenständen aus Kunststoff in einer inerten Atmosphäre.
Die Extrusion oder das Einblasen von Kunststoff ist ein bekanntes Verfahren, wobei ein Polymer geschmolzen und ein Düsenkopf oder eine Einspritzdüse kontinuierlich mit dem geschmolzenen Polymer zu dessen Formung gespeist wird. Dieses Verfahren verwendet im allgemeinen:

– einen Trichter zur Einspeisung des Polymers, in den das Polymer in pulvriger oder gekörnter Form eingeführt wird,
– Mittel zum Transport, zum Beheizen und zum Kneten des aus dem Trichter austretenden Polymers, beispielsweise eine beheizte Einspeisschnecke,
– einen Extrusionskopf, der aus einem Düsenkopf besteht, welcher dem Polymer die gewünschte Form verleiht oder einer Einspritzdüse in eine Gießform.

Es ist bekannt, dass im Laufe eines solchen Verfahrens und insbesondere beim Schritt des Schmelzens in der Einspeisschnecke, bestimmte Polymere empfindlich gegenüber der Anwesenheit von Sauerstoff sein können, welcher die Endeigenschaften des geformten Kunststoffs beeinträchtigt (Vergilbung, Vernetzung des Polymers, Veränderung der molekularen Masse). Die Anmelderin hat weiterhin beobachtet, dass Sauerstoff:

– zu einer Verschmutzung der Formungsvorrichtung führt, was eine Reinigung und somit einen regelmäßigen Stillstand der Produktionsmaschinerie erforderlich macht, damit zu erhöhten Wartungskosten und Produktionsausfällen führt sowie
– zum Auftreten von Ablagerungen auf der Oberfläche des geformten Polymers.

Zur Lösung des Problems der Beeinträchtigung der Endeigenschaften des geformten Kunststoffs werden dem Aus gangspolymer bekanntermaßen Antioxidantien beigegeben. Diese Zusatzstoffe erhöhen die Produktionskosten des Kunststoffs jedoch beträchtlich. Eine weitere Lösung im Stand der Technik besteht darin, das Polymer in Anwesenheit eines inerten Gases zu formen. Diese Lösung wurde beispielsweise in den Anmeldungen EP-A1-0 760 278 und DE29923183 U1 entwickelt, bei denen die besten Resultate der Inertierung nur durch Einführung eines inerten Gases an einem präzisen Punkt der Einspeisschnecke erhalten werden konnten. Im Falle einer bestehenden Industrieanlage kann sich die Einführung des inerten Gases im Bereich der Einspeisschnecke als kompliziert, wenn nicht gar unmöglich erweisen, da es erforderlich ist, den Zylinder der Schraube zu durchbohren, ohne dass diese Bohrung die spätere Funktionsweise der Schraube stört. Desweiteren erlaubte es diese bevorzugte Ausführungsform nicht, den Restgehalt an Sauerstoff im Stickstoff unter einen Wert von 1 Vol.-% abzusenken.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Formungsvorrichtung in inerter Atmosphäre vorzuschlagen, insbesondere zur einfachen Umgestaltung einer bereits bestehenden industriellen Anlage und zu einer stärkeren Absenkung des Sauerstoffgehalts als im Stand der Technik.
Zu diesem Zweck betrifft die Erfindung zunächst eine Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffgegenständen durch Formung eines Polymers, wobei die Vorrichtung umfasst:

– einen Trichter zur Einspeisung des Polymers,
– Mittel zum Beheizen und Fördern des schmelzenden Polymers
– Mittel zum Formen des geschmolzenen Polymers und
– mindestens ein Mittel zum Einblasen von Gas in den Trichter, wobei das Mittel zum Einblasen von Gas folgendes umfasst:
• mindestens eine Einblasfläche für das Gas an der Wand des Trichters,
• eine Leitung zum Einspeisen von Gas in den Trichter durch diese Gaseinblasfläche:
– deren eines Ende mit einer Gasquelle verbunden ist,
– deren anderes Ende, das zur Einblasfläche gerichtet ist, geschlossen ist
– und die mindestens eine radiale Öffnung aufweist, die ein Ausströmen des Gases senkrecht zu seiner Strömungsrichtung in der Leitung erlaubt und
• eine Homogenisierungskammer zwischen der Trichterwand und der Wand der Gaseinspeiseleitung, so dass das die Öffnung verlassende Gas durch die Einblasfläche in den Trichter gelangt.

Die Mittel zum Beheizen und zum Fördern des schmelzenden Polymers bestehen im allgemeinen aus einem temperaturgeregelten Zylinder, in dessen Inneren sich mindestens eine Einspeisschnecke befindet. Dieser Schraubentyp erlaubt ebenso das Kneten des schmelzenden Polymers. Die Mittel zum Formen des geschmolzenen Polymers sind im Fall der Extrusion für gewöhnlich ein Düsenkopf, der eine der gewünschten Formgebung angepasste geometrische Form aufweist: Platte, Film (Flachfaden), profiliert, Röhre (Rundfaden). Wenn das geschmolzene Polymer durch Einspritzung geformt wird, ist das Mittel zum Formen eine Gießform.
Der Einspeisetrichter ist für gewöhnlich ein Behälter, der trichterförmige Ablaufbereiche aufweist, durch die das Polymer durch die Schwerkraft abfließt. Er kann Mittel zur Regulierung des Polymerflusses umfassen, wie etwa Rotations- oder Vibrationsrührwerke oder eine Druckschraube. Erfindungsgemäß weist der Trichter auf mindestens einer seiner Wände ein Mittel zur Gaseinblasung auf. Dieses Mittel zur Gaseinblasung umfasst im Bereich der Trichterwand mindestens eine Gaseinblasfläche. Diese Gaseinblasfläche kann aus porösem Material oder aus Gaseinblasöffnungen, vorzugsweise mindestens einer Öffnung, bestehen. Diese Öffnung kann direkt in die Wand des Trichters oder in eine Platte gebohrt sein, welche selbst auf der Wand des Trichters anstelle einer Öffnung in der Wand befestigt ist. Diese letzte Ausführungsform kann dem Fall entsprechen, bei dem die vorliegende Erfindung bei einer bereits verwendeten Formungsvorrichtung Anwendung findet und welche angepasst werden muss; auf diese Weise ist es möglich, ein Guckloch, das sich im allgemeinen auf der Wand des Trichters befindet durch eine Platte mit mindestens einer Bohröffnung zu ersetzen, die auf der Wand des Trichters befestigt ist. Die Öffnung oder Öffnungen bewirken vorzugsweise einen Gasfluss, der gegen das Unterteil des Trichters gerichtet ist: die Achse der Einblasöffnung oder Einblasöffnungen kann einen Winkel von mindestens 30° mit der horinzontalen Achse aufweisen. Ebenso ist das Mittel zum Einblasen von Gas vorzugsweise gegenüber dem Durchgangsweg des Polymers in dem Trichter zurückversetzt und dringt nicht in den Innenraum des Trichters ein. Somit kann es sich auf gleicher Höhe mit der inneren Wand des Trichters befinden. Dies ist der Fall, wenn die Gaseinblasöffnung ein einfaches, in die Wand des Trichters gebohrtes Loch darstellt. In besonders bevorzugter Weise können die eine oder mehrere Einblasöffnungen durch ein poröses Material ersetzt werden.
Diese Öffnungen bilden einen Teil des Mittels zum Einblasen von Gas in den Trichter, das ebenfalls eine Leitung zur Gaseinspeisung zu diesen Öffnungen zum Einblasen von Gas umfasst sowie eine Homogenisierungskammer, die sich zwischen der Wand des Trichters und der Wand der Einspeisungsleitung befindet. Die Homogenisierungskammer kann jede beliebige Form annehmen. Ihr Ausmaß ist vorzugsweise so festgelegt, dass die Geschwindigkeit des Gases in der Kammer geringer als die Geschwindigkeit des Gases in der oder den Bohröffnungen in der Wand des Trichters ist. Sie muss dicht sein, so dass der Durchfluss des Gases von der Gaseinspeiseleitung zu den Gaseinblasöffnungen gewährleistet ist. Beispielsweise können Gummidichtungen an den Rändern der Homogenisierungskammer angebracht sein, die sich in Kontakt mit der Wand des Trichters befinden sowie an den Rändern der Homogenisierungskammer, die in Kontakt mit der Wand der Einspeisungsleitung stehen.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform gehorchen die Querschnittsfläche A der Homogenisierungskammer, die mit der Wand des Trichters in Kontakt steht und die Querschnittsflächen a_i der Gaseinblasöffnungen, die in die Wand des Trichters gebohrt sind, der folgenden Beziehung: das Verhältnis A/Σa_i ist größer oder gleich 1, vorzugsweise größer oder gleich 1,5, dabei stellt Σa_i die Summe der Querschnitte der Öffnungen dar. Praktischerweise weisen die in die Wand des Trichters gebohrten Gaseinblasöffnungen allesamt dieselbe Querschnittsfläche a auf.
Das Gas wird in die Homogenisierungskammer durch die Gaseinspeiseleitung geführt, die eine Querschnittsfläche variabler Form aufweisen kann, wie etwa rund, quadratisch oder rechteckig. Ein Ende der Leitung ist mit einer Quelle eines inerten Gases, wie etwa Stickstoff, verbunden. Das andere Ende ist zu der oder den Öffnungen gerichtet und im Querschnitt geschlossen. Die Leitung weist mindestens eine kreisförmige Öffnung auf, die ein auf dessen Umlaufrichtung in der Leitung senkrechtes und zur Homogenisierungskammer gerichtetes Ausströmen des Gases gestattet. Falls mehrere Öffnungen bestehen, befinden sich diese für gewöhnlich in demselben Querschnitt der Gaseinspeiseleitung. In der bevorzugten Ausführungsform gehorchen der innere Querschnitt S der Gaseinspeiseleitung und die Querschnitte S_i der Öffnungen der folgenden Beziehung: das Verhältnis S/Σs_i ist größer oder gleich 1, vorzugsweise größer oder gleich 1,5, dabei stellt Σs_i die Summe der Querschnitte S_i der Öffnungen dar. Die eine oder mehreren kreisförmigen Öffnungen der Gaseinspeiseleitung können allesamt denselben Querschnitt s aufweisen. In einer besonderen Ausführungsform, weist die Gaseinspeiseleitung vier Öffnungen auf, die in demselben Querschnitt der Leitung angeordnet sind.
Die Eigenschaften der Erfindung erlauben eine laminare Gasströmung im Trichter und bei einer Geschwindigkeit, welche den Polymerstrom in diesem Trichter nicht stört.
Wenn in der Trichterwand mehrere Öffnungen vorhanden sind, ermöglicht das erfindungsgemäße Mittel zum Einblasen von Gas in jeder Öffnung eine identische Zuflussrate inerten Gases zu erhalten.
Das Einblasmittel kann sich in beliebiger Höhe des Trichters in Bezug auf die Schraube befinden, ohne dass dadurch die Inertionsergebnisse verändert würden.
Je nach dem Durchmesser des Trichters können sich mehrere Einblasmittel des obigen Typs in der Trichterwand befinden. Diese Einblasmittel sind dann im allgemeinen auf derselben Höhe des Trichters in Bezug auf die Schraube und in gleichem Abstand voneinander angeordnet.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird das in den Trichter eingeführte Gas zunächst mit dem Polymer in den Extruder geführt, dann in Richtung des Trichters gegenläufig der Polymerströmung zurückgeführt und schließlich aus dem Extruder durch den Trichter entfernt. Diese Verwendung erlaubt die Bildung eines Puffers aus inertem Gas im Bereich des Trichters.
Bei dem Gas kann es sich um jedes beliebige neutrale Gas handeln, das für gewöhnlich zur Inertierung von Polymeren verwendet wird. Im allgemeinen handelt es sich um Stickstoff und in bevorzugter Weise um kryogen erhaltenen Stickstoff. Es kann so genannter unreiner Stickstoff verwendet werden, der Sauerstoff und/oder Argon enthalten kann, oder sogar CO oder CO₂, wobei der Stickstoffgehalt des Gases mindestens 95% und der Sauerstoffgehalt höchstens 5% beträgt. Diese auf unreinem Stickstoff basierende Gassorte kann aus einem Verfahren zur Trennung der Gase aus Luft mittels einer Membran herrühren. Diese Gassorte kann jedoch nur dann verwendet werden, wenn eine Atmosphäre mit relativ geringem Sauerstoffgehalt erwünscht ist, das heißt, die bis zu 5 Vol.-% Sauerstoff enthalten kann. Vor dem Einblasen kann das verwendete Gas gegebenenfalls auf eine Temperatur vorgewärmt werden, die nahe dem Schmelzpunkt des behandelten Polymers liegt. Diese Vorwärmung hat jedoch keinerlei Einfluss auf die Qualität der Inertierung.
Durch Einblasen von kryogen erhaltenem Stickstoff, ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bildung von Polymeren in einer Atmosphäre von weniger als 100 ppm Sauerstoff bei einer Einblasgeschwindigkeit des Stickstoffs von weniger als 50 m/s, oder selbst weniger als 20 m/s und sogar weniger als 3 m/s, je nach Form und Flussrate des eingeführten Polymers. Es wurde ebenfalls ermittelt, dass diese Vorrichtung die Verschmutzung der Einspeisschnecke und des Düsenkopfes beträchtlich verringert, wodurch die Zeiten des Maschinenstillstands zur Reinigung begrenzt werden und die Produktivität erhöht wird, wodurch die Verwendung von Antioxidantien vermindert, ja sogar vermieden werden kann.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sich die Mittel zum Einblasen von inertem Gas in beliebiger Höhe des Trichters in Bezug auf die Schraube befinden können, ohne dass die Inertierungsergebnisse beeinträchtigt würden. Es ist somit möglich bestehende Industrieanlagen durch individuelle Anpassung zu verändern.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine sehr wirkungsvolle Inertierung durch Einblasen des Gases an einem bestimmten Punkt des Verfahrens erhalten wird und ohne dass eine Erwärmung des Gases erforderlich wäre. Die Erfindung betrifft auch die Verwendung der obigen Vorrichtung zur Formung, insbesondere durch Extrusion, von Polyethylen hoher oder niedriger Dichte oder von Polypropylen, die in gekörnter oder in Pulverform zugeführt werden.
Die 1 und 2 veranschaulichen schematisch Querschnitte von Vorrichtungen, die zur Umsetzung der Erfindung geeignet sind. Die Vorrichtungen passen auf einen Trichter, der die Einführung eines Polymers in den Führungskanal einer Einspeisschnecke erlaubt, wobei die Einspeisschnecke in einen Drüsenkopf mündet.
In 1 befindet sich ein Mittel zum Einblasen von Gas an der Trichterwand (1). Es umfasst:

– 3 zirkuläre Gaseinblasöffnungen (21) eines Durchmessers von 0,55 cm, die in eine Platte (5) gebohrt sind, welche anstelle eines Gucklochs auf die Trichterwand geschraubt ist; diese Öffnungen (21) sind in einem Winkel von 30° zur horizontalen Achse nach unten gerichtet;
– eine Leitung (3) für die Zufuhr von Gas zu diesen Gaseinblasöffnungen (21). Es handelt sich um eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von 1,5 cm. Ihr Ende (31) ist mit einer Gasquelle verbunden. Ihr anderes Ende (32) ist abgedichtet. Die Leitung weist in ihrem dem abgedichteten Ende (32) nahen Anteil vier kreisförmige Öffnungen (33) desselben Durchmessers (0,5 cm) auf, die sich in derselben Querschnittsfläche der Leitung und in gleicher Entfernung voneinander befinden. Das Verhältnis S/Σs_i beträgt 2,25;
– eine Homogenisierungskammer (4), deren Querschnitt kreisförmig ist und deren innerer Durchmesser 3,6 cm beträgt. Eine Silikondichtung (6) gewährleistet die Dichtigkeit der Kammer in Bezug auf die Trichterwand. Das Verhältnis A/Σa_i beträgt 14,3.

In 2 enthält der Trichter ein Mittel zum Einblasen von Gas in den Trichter, umfassend:

– 7 kreisförmige Gaseinblasöffnungen (21) mit einem Durchmesser von 0,5 cm, die in eine Platte gebohrt sind, welche anstelle eines Gucklochs auf die Trichterwand (1) geschraubt ist; diese Öffnungen (21) sind in einem Winkel von 30° zur horizontalen Achse nach unten gerichtet;
– eine Leitung (3) für die Zufuhr von Gas zu diesen Gaseinblasöffnungen (21). Es handelt sich um eine Leitung mit kreisförmigem Querschnitt und einem Durchmesser von 1,5 cm. Ihr Ende (31) ist mit einer Gasquelle verbunden. Ihr anderes Ende (32) ist abgedichtet. Die Leitung weist in ihrem dem abgedichteten Ende (32) nahen Anteil vier kreisförmige Öffnungen (33) desselben Durchmessers (0,5 cm) auf, die sich in derselben Querschnittsfläche der Leitung und in gleicher Entfernung voneinander befinden. Das Verhältnis S/Σs_i beträgt 2,25;
– eine Homogenisierungskammer (4), deren Querschnitt kreisförmig ist und deren innerer Durchmesser 5 cm beträgt. Eine Silikondichtung (6) gewährleistet die Dichtigkeit der Kammer in Bezug auf die Trichterwand. Das Verhältnis A/Σa_i beträgt 25.

BEISPIELE
Beispiel 1
Das in 1 beschriebene Mittel zum Einblasen wird an einer Trichterwand im Abstand von 1,50 m über der Einspeisschnecke angebracht. Der Trichter wird mit Polyethylen in pulvriger Form gespeist. Die Körnchengröße des Pulvers beträgt 2,5 mm und die Zuflussrate 24 kg/h.
Stickstoff aus einer kryogenen Einheit wird in die Einspeiseleitung (3) über das Ende (31) mit einer Zuflussrate von 1,5 m³/h eingeleitet.
Eine Probenventil wird zwischen den Trichter und die Einspeisschnecke eingefügt und mit einer Sonde eines Analysegeräts verbunden, das eine elektrochemische Zelle zum Nachweis von Spuren von Sauerstoff aufweist. Unter Verwendung dieser Sonde wird ein Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zwischen dem Trichter und der Einspeisschnecke von 140 ppm ermittelt.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wird wiederholt, indem das Einblasmittel im Abstand von 30 cm über der Einspeisschnecke angebracht wird. Alle weiteren Bedingungen des Verfahrens werden beibehalten.
Es wird ein Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zwischen dem Trichter und der Einspeisschnecke von 70 ppm ermittelt.
Beispiel 3
Es werden zwei Einblasmittel wie in 2 beschrieben gegenüber von einander an einer Trichterwand im Abstand von 30 cm über der Einspeisschnecke angebracht. Der Trichter wird mit Polyethylen in körniger Form gespeist. Die Körnchengröße des Pulvers beträgt 2,5 mm und die Zuflussrate 300 kg/h.
Stickstoff aus einer kryogenen Einheit wird in die Einspeiseleitung (3) über das Ende (31) mit einer Zuflussrate von 5 m³/h eingeleitet.
Eine Probenventil wird zwischen den Trichter und die Einspeisschnecke eingefügt und mit einer Sonde eines Analysegeräts verbunden, das eine elektrochemische Zelle zum Nachweis von Spuren von Sauerstoff aufweist. Unter Verwendung dieser Sonde wird ein Sauerstoffgehalt der Atmosphäre zwischen dem Trichter und der Einspeisschnecke von 30 ppm ermittelt.

Claims

Vorrichtung zur Herstellung von Kunststoffgegenständen durch Formung eines Polymers, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: – einen Trichter (1) zur Einspeisung des Polymers, – Mittel zum Beheizen und Fördern des schmelzenden Polymers – Mittel zum Formen des geschmolzenen Polymers, und – mindestens ein Mittel zum Einblasen von Gas in den Trichter, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Einblasen von Gas Folgendes umfasst: • mindestens eine Einblasfläche für das Gas an der Wand des Trichters (1), • eine Leitung (3) zum Einspeisen von Gas in den Trichter durch diese Gaseinblasfläche: – eine Leitung (3), deren eines Ende (31) mit einer Gasquelle verbunden ist, – deren anderes Ende (32), das zur Einblasfläche gerichtet ist, geschlossen ist, – und die mindestens eine radiale Öffnung (33) aufweist, die ein Ausströmen des Gases senkrecht zu seiner Strömungsrichtung in der Leitung erlaubt, und • eine Homogenisierungskammer (4) zwischen der Trichterwand und der Gaseinspeiseleitung (3), so dass das aus den Öffnungen (33) ausströmende Gas durch die Einblasfläche in den Trichter gelangt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, dass die Gaseinblasfläche an der Wand des Trichters (1) aus mindestens einer Öffnung (21) besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche A der Homogenisierungskammer (4), die mit der Wand des Trichters (1) in Kontakt steht, und die Querschnittsflächen a_i der Gaseinblasöffnungen (21), die in die Wand des Trichters (1) gebohrt sind, der folgenden Beziehung gehorchen: das Verhältnis A/Σa_i ist größer oder gleich 1, vorzugsweise größer oder gleich 1,5; dabei stellt Σa_i die Summe der Querschnitte der Öffnungen (21) dar.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasöffnungen (21), die in die Wand des Trichters (1) gebohrt sind, einen Gasfluss bewirken, der gegen das Unterteil des Trichters (1) gerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaseinblasfläche an der Wand des Trichters (1) aus porösem Material besteht.
Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zum Einblasen von Gas gegenüber dem Durchgangsweg des Polymers in dem Trichter (1) zurückversetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Querschnitt S der Gasspeiseleitung (3) und die Querschnitte S_i der Öffnungen der folgenden Beziehung gehorchen: Das Verhältnis S/Σs_i ist größer oder gleich 1, vorzugsweise größer oder gleich 1,5; dabei stellt Σs_i die Summe der Querschnitte S_i der Öffnungen (33) dar.
Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Extrusion von Polyethylen oder Polypropylen.