WO2001036175A1 - Extruder zur aufbereitung von kautschukmischungen - Google Patents

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    • B29K2301/10—Thermosetting resins

Definitions

  • the invention relates to an extruder and a method for the preparation of rubber mixtures, from which elastomer products, in particular elastomer profiles, are produced by vulcanization, according to the preamble of claims 1 and 10.
  • the extrudate leaving the extruder is brought from about 70-100 ° C to a high initial temperature level at the beginning of the vulcanization of about 130-180 ° C.
  • the shaving head method can be used for this, in which mechanical energy from a rotating shear mandrel is used to raise the temperature of the extrudate.
  • the invention has for its object to ensure a uniform crosslinking of the rubber profile, to bring its temperature to an approximately vulcanization level.
  • this is achieved in the extruder in that the extruder screw is designed such that the rubber mixture undergoes a temperature increase on its way to the extrusion die due to heat dissipation.
  • BESTATIGUNGSKOPIE so that the temperature of the extrudate approaches the vulcanization temperature.
  • the invention is associated with the advantage that complicated devices such as shaving head or UHF devices for increasing the temperature after the extruder exit can be dispensed with.
  • the extruder screw is of multi-start design depending on its diameter, the number of flights increasing as the diameter of the screw increases.
  • the pitch angle and depth of the screw are preferably selected such that in the extruder an inlet zone of increasing pressure is followed by an outlet zone with constant pressure or a drop in pressure.
  • the extruder screw can be designed as a low-power screw with a small pitch angle ⁇ in the exit zone, preferably in the range from approximately 7 ° to 14 °.
  • the extruder barrel can consist of several structural units which are thermally separated from one another by insulating rings.
  • a pressure piece is inserted into the extruder extrusion head in order to further increase the mixing temperature of the rubber mixture by adapting or increasing the pressure both in the screw channel and in the extrusion head by converting the pressure energy, and to reduce the mean residence time at elevated mixing temperatures ,
  • the object is achieved by a process for the preparation of rubber mixtures in a screw extruder in preparation for the production of elastomer products, in particular elastomer profiles, in which the rubber mixture is fed to the extruder, plasticized in it and brought into the shape determined by the purpose in an extrusion tool, to then undergo a vulcanization process by introducing heat into the extrudate, in that, according to the invention, the rubber mixture is heated substantially continuously on the way in the extruder, so that the temperature of the extrudate is approached to the vulcanization temperature after leaving the extruder.
  • a screw is used to increase the extrudate temperature to an approximately vulcanization level, the geometry of which is designed such that a temperature increase in the rubber mixture occurs due to heat dissipation.
  • the heat dissipation in the rubber mixture is preferably achieved by increasing the speed of the screw with a comparatively low throughput.
  • FIG. 1 shows an extruder with a screw according to the invention
  • Fig. 2 shows a map of such a screw
  • the extruder shown in FIG. 1 essentially consists of a cylinder 1, a screw 2 rotatably arranged in the cylinder 1 and a spray head 3 with an inserted pressure piece 4 and extrusion tool 5.
  • the cylinder 1 is divided by an insulating ring 6 into a cylinder inlet zone 7 and a cylinder outlet zone 8, which have cavities 9 and 10 for tempering the cylinder 1.
  • the worm 2 consists of a worm entry zone 11 and a worm exit zone 12, which differ from one another in the pitch angle ⁇ and in the depth H.
  • the screw exit zone 12 has a smaller pitch angle ⁇ of 7 ° to 14 ° and a smaller depth H compared to the screw entry zone 11.
  • the aerodynamically shaped spray head 3, in conjunction with the pressure piece 4 used, enables the pressure in the screw channel and in the spray head 3 to be adjusted or increased by converting the pressure energy and reducing the mean residence time of the mixture in the extruder at elevated mixing temperatures.
  • the rubber mixture is conveyed from the entry zone 11 of the screw 2 in the direction of the exit zone 12 thereof, a selection of the pitch angle ⁇ and pitch depth H according to the invention driving over the cylinder exit zone 8 through the cylinder entry zone 7, so that a reduction of Pressure and leakage flow occurs and thus the thermal process control is improved.
  • the mixing temperature in the slowly flowing wall regions can be controlled comparatively precisely.
  • a screw 2 that produces the described effects has the following dimensions, for example:
  • Fig. 2 the map of such a screw 2 is shown as a flow rate over the pressure.
  • a mixture based on EPDM was used as the rubber mixture.
  • Different characteristic curves, as can be seen from FIG. 2 relate to different speeds of the screw 2.
  • the crosslinking behavior of the rubber mixture should be set so that a 10% crosslinking at 140 ° C. is achieved after more than 3 minutes.
  • melt temperatures achievable when the extruder is operated with a screw 2 designed according to the invention are shown in FIG. 3 as a function of the speeds of the screw 2 at different pressures and temperatures for a mixture based on EPDM.

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Abstract

Extruder zur Aufbereitung von Kautschukmischungen für Elastomerprodukte, insbesondere kontinuierlich hergestellte Elastomerprofile, mit einem Zylinder (1), einer im Zylinder (1) drehbar gelagerten Schnecke (2) zum Einziehen, Fördern und Homogenisieren der Kautschukmischung und einem Spritzkopf (3) mit eingesetztem Extrusionswerkzeug (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (2) derart ausgebildet ist, dass die Kautschukmischung auf ihrem Weg zum Extrusionswerkzeug (5) durch Wärmedissipation eine Temperaturerhöhung erfährt, so dass eine Annäherung der Temperatur des Extrudates an die Vulkanisationstemperatur erfolgt.

Description

Extruder zur Aufbereitung von Kautschukmischungen
Die Erfindung betrifft einen Extruder und ein Verfahren zur Aufbereitung von Kautschukmischungen, aus denen durch Vulkanisation Elastomerprodukte, insbesondere Elastomerprofile, hergestellt werden, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 10.
Bei der Herstellung von Elastomerprodukten wird zur Qualitätssicherung ein weitgehend gleichmäßiger Vernetzungsgrad während des Vulkanisationsprozesses angestrebt. Dabei sollte der Unterschied zwischen der Temperatur des Extrudates und der Temperatur des Vulkanisationsmediums nicht zu groß sein. In der Praxis wird das den Extruder verlassende Extrudat von etwa 70 - 100° C auf ein hohes Anfangstemperaturniveau zu Beginn der Vulkanisation von etwa 130 - 180° C gebracht.
Hierfür kann das Scherkopfverfahren zum Einsatz kommen, bei dem mechanische Energie eines rotierenden Scherdornes für eine Temperaturerhöhung des Extrudates genutzt wird.
Weiterhin besteht die Möglichkeit, die UHF-Technologie einzusetzen, die jedoch eine aufwendige Rezepturgestaltung insbesondere bei Mischungen auf Basis unpoiarer EPDM-Poiymere erfordert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Vernetzung des Kautschukprofils, dessen Temperatur auf annäherndes Vulkanisationsniveau zu bringen.
Erfindungsgemäß wird dies im Extruder erreicht, indem die Extruderschnecke derart ausgebildet ist, daß die Kautschukmischung auf ihrem Weg zum Extrusionswerkzeug durch Wärmedissipation eine Temperaturerhöhung erfährt,
BESTATIGUNGSKOPIE so daß eine Annäherung der Temperatur des Extrudates an die Vulkanisationstemperatur erfolgt.
Die Erfindung ist mit dem Vorteil verbunden, daß auf komplizierte Einrichtungen, wie Scherkopf- oder UHF-Einrichtungen, zur Temperaturerhöhung nach Extruderaustritt verzichtet werden kann.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Extruderschnecke in Abhängigkeit von deren Durchmesser mehrgängig ausgebildet, wobei die Gangzahl bei Vergrößerung des Durchmessers der Schnecke steigt. Bevorzugt werden Gangsteigungswinkel und Gangtiefe der Schnecke derart gewählt, daß im Extruder einer Eingangszone ansteigenden Druckes eine Ausgangszone mit Druckkonstanz oder Druckabfall folgt.
Dabei kann die Extruderschnecke als Minderleistungsschnecke mit kleinem Gangsteigungswinkel φ in der Ausgangszone, vorzugsweise im Bereich von ca. 7° bis 14°, ausgeführt sein.
Alternativ zu oder in Kombination mit einem kleinen Gangsteigungswinkel φ besteht die Möglichkeit, die Ausgangszone der Extruderschnecke mit einer kleinen Gangtiefe H zu versehen. So hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Gangtiefe H < 0,15 x Durchmesser der Schnecke zu wählen.
Um die Zyiindertemperaturen, insbesondere der Ausgangszone des Extruders auf das verfahrenstechnisch erforderliche Niveau einzustellen, ohne dabei die Eingangszσne zu beeinflussen, kann der Extruderzylinder aus mehreren Baueinheiten bestehen, die voneinander durch Isolierringe thermisch getrennt sind.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in den Spritzkopf des Extruders ein Druckstück eingesetzt, um die Mischungstemperatur der Kautschukmischung durch Anpassung bzw. Erhöhung des Druckes sowohl im Schneckenkanal als auch im Spritzkopf durch Umsetzung der Druckenergie weiter zu erhöhen und die mittlere Verweilzeit bei erhöhten Mischungstemperaturen zu verringern. Des weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Aufbereitung von Kautschukmischungen in einem Schneckenextruder in Vorbereitung der Herstellung von Elastomerprodukten, insbesondere Elastomerprofilen, bei dem die Kautschukmischung dem Extruder zugeführt, in diesem plastifiziert und in einem Extrusionswerkzeug in die vom Einsatzzweck bestimmte Form gebracht wird, um danach durch Wärmeeintrag in das Extrudat einen Vulkanisationsprozess zu durchlaufen, indem erfindungsgemäß die Kautschukmischung auf dem Weg im Extruder im wesentlichen kontinuierlich aufgeheizt wird, so daß die Temperatur des Extrudates nach Verlassen des Extruders der Vulkanisationstemperatur angenähert wird.
Gemäß einer zweckmäßigen Verfahrensdurchführung wird zur Erhöhung der Extrudattemperatur auf annäherndes Vulkanisationsniveau eine Schnecke eingesetzt, deren Geometrie derart ausgelegt ist, daß eine Temperaturerhöhung in der Kautschukmischung durch Wärmedissipation eintritt.
Vorzugsweise wird dabei die Wärmedissipation in der Kautschukmischung durch erhöhte Drehzahl der Schnecke bei vergleichsweise geringem Durchsatz erreicht.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Extruder mit erfindungsgemäßer Schnecke, Fig. 2 ein Kennfeld einer solchen Schnecke und
Fig. 3 eine graphische Darstellung zu im stationären Betriebszustand des Extruders erzielbaren Mischungstemperaturen.
Der in Fig. 1 dargestellte Extruder besteht im wesentlichen aus einem Zylinder 1 , einer im Zylinder 1 drehbar angeordneten Schnecke 2 und einem Spritzkopf 3 mit eingesetztem Druckstück 4 und Extrusionswerkzeug 5. Der Zylinder 1 ist durch einen Isolierring 6 in eine Zylindereingangszone 7 und eine Zylinderausgangszone 8 geteilt, die Hohlräume 9 und 10 zur Temperierung des Zylinders 1 aufweisen.
Die Schnecke 2 besteht aus einer Schneckeneingangszone 11 und einer Schneckenausgangszone 12, die sich im Gangsteigungswinkel φ und in der Gangtiefe H voneinander unterscheiden. So weist die Schneckenausgangszone 12 gegenüber der Schneckeneingangszone 11 einen kleineren Gangsteigungswinkel φ von 7° bis 14° und eine kleinere Gangtiefe H auf.
Der strömungsgünstig geformte Sphtzkopf 3 ermöglicht in Verbindung mit dem eingesetzten Druckstück 4 eine Anpassung bzw. Erhöhung des Druckes sowohl im Schneckenkanal als auch im Spritzkopf 3 durch Umsetzung der Druckenergie und eine Verringerung der mittleren Verweilzeit der Mischung im Extruder bei erhöhten Mischungstemperaturen.
Bei Betrieb des Extruders wird das Kautschukgemisch von der Eingangszone 11 der Schnecke 2 in Richtung der Ausgangszone 12 derselben gefördert, wobei durch eine erfindungsgemäße Auswahl von Gangsteigungswinkel φ und Gangtiefe H ein Überfahren der Zylinderausgangszone 8 durch die Zylindereingangszone 7 erreicht wird, so daß eine Verringerung von Druck- und Leckströmung eintritt und damit die thermische Prozessführung verbessert wird.
Des weiteren kann infolge der erfindungsgemäß eintretenden Vergrößerung des Oberflächen-Λ/olumenverhältnisses in der Ausgaπgszone 12 die Mischungstemperatur in den langsam fließenden Wandbereichen vergleichsweise genau kontrolliert werden.
Eine Schnecke 2, die die beschriebenen Wirkungen erbringt, hat beispielsweise folgende Abmessungen:
Figure imgf000007_0001
In Fig. 2 ist das Kennfeld einer solchen Schnecke 2 als Förderstrom über dem Druck dargestellt. Als Kautschukmischung wurde eine Mischung auf Basis von EPDM verwendet. Unterschiedliche Kennlinien beziehen sich, wie aus Fig. 2 erkennbar, auf unterschiedliche Drehzahlen der Schnecke 2. Das Vernetzungsverhalten der Kautschukmischung sollte dabei so eingestellt sein, daß eine 10 %ige Vernetzung bei 140° C nach mehr als 3 Minuten erreicht wird.
Die bei Betrieb des Extruders mit erfindungsgemäß ausgeführter Schnecke 2 erreichbaren Massetemperaturen sind in Abhängigkeit von den Drehzahlen der Schnecke 2 bei unterschiedlichen Drücken und Temperaturen für eine Mischung auf Basis EPDM in Fig. 3 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Extruder zur Aufbereitung von Kautschukmischungen für
Elastomerprodukte, insbesondere kontinuierlich hergestellte
Elastomerprofile, mit einem Zylinder (1), einer im Zylinder (1) drehbar gelagerten Schnecke (2) zum Einziehen, Fördern und Homogenisieren der Kautschukmischung und einem Spritzkopf (3) mit eingesetztem
Extrusionswerkzeug (5), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Schnecke (2) derart ausgebildet ist, daß die Kautschukmischung auf ihrem Weg zum Extrusionswerkzeug (5) durch Wärmedissipation eine
Temperaturerhöhung erfährt, so daß eine Annäherung der Temperatur des Extrudates an die Vulkanisationstemperatur erfolgt.
2. Extruder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Extruderschnecke (2) in Abhängigkeit von deren Durchmesser mehrgängig ausgebildet ist, wobei die Gangzahl bei Vergrößerung des Durchmessers der Schnecke (2) steigt.
3. Extruder nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch Auswahl von Gangsteigungswinkel und Gangtiefe der Schnecke (2) im Extruder eine Eingangszone (11) mit ansteigendem Druck in der Kautschukmischung und eine Ausgangszone (12) mit konstantem bzw. fallendem Druck entsteht.
k Extruder nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Extruderschnecke als Minderleistungsschnecke (2) mit kleinem Gangsteigungswinkel φ in der Ausgangszone (12) ausgeführt ist.
5. Extruder nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gangsteigungswinkel φ in der Ausgangszone ca. 7° bis 14° beträgt.
6. Extruder nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangszone (12) der Extruderschnecke (2) eine kleine Gangtiefe H aufweist.
7. Extruder nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangtiefe H kleiner als 0,15 x Durchmesser der Schnecke (2) ist.
8. Extruder nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1 ) aus mindestens zwei Baueinheiten besteht, die durch Isolierringe (6) zur thermischen Entkopplung voneinander getrennt sind.
9. Extruder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Spritzkopf (3) ein Druckstück (4) zur Verringerung des freien Volumens und ggf. Erhöhung des Druckes eingesetzt ist.
10. Verfahren zur Aufbereitung von Kautschukmischungen in einem Schneckenextruder in Vorbereitung der Herstellung von Elastomerprodukten, insbesondere Elastomerprofilen, bei dem die Kautschukmischung dem Extruder zugeführt, in diesem plastifiziert und in einem Extrusionswerkzeug in die vom Einsatzzweck bestimmte Form gebracht wird, um danach durch Wärmeeintrag in das Extrudat einen Vulkanisationsprozess zu durchlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Kautschukmischung auf dem Weg im Extruder im wesentlichen kontinuierlich aufgeheizt wird, so daß die Temperatur des Extrudates nach Verlassen des Extruders der Vulkanisationstemperatur angenähert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Extrudattemperatur auf annäherndes Vulkanisationsniveau eine Schnecke eingesetzt wird, deren Geometrie derart ausgelegt ist, daß eine Temperaturerhöhung in der Kautschukmischung durch Wärmedissipation eintritt.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmedissipation in der Kautschukmischung durch erhöhte Drehzahl der Schnecke bei vergleichsweise geringem Durchsatz erreicht wird.
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