MASCHINEN UND ANLAGEN MACHINERY AND EQUIPMENT. G. Nijman, Enschede NL

Transkript

1 MASCHINEN UND ANLAGEN MACHINERY AND EQUIPMENT Kautschukextruder Schlepp/DruckstroÈ mung Extrudercharakteristik Energiebilanz GleichmaÈ ûigkeit Stift- Extruder Transfermixextruder MCTD-Extruder Stift-Convert-Extruder In diesem Beitrag wird der Prozeû in einem Kautschukextruder mit Hilfe der Schlepp/DruckstroÈ mungstheorie beschrieben. Wichtige Prozeûparameter sind neben der Schneckendrehzahl, der Ausstoû, der Kopfdruck, die spezifische Energie und die Massetemperatur. Mit Hilfe einer vereinfachten Theorie wird erklaè rt, daû der Ausstoû pro Schneckenumdrehung von dem Kopfdruck gedrosselt wird. Mit steigendem Kopfdruck erhoè ht sich die Massentemperatur und die HomogenitaÈ t des Extrudats. Es werden verschiedene Schnecken-Zylinder-Konzepte mit einander verglichen. Ergebnisse aus der Praxis werden mit Hilfe des Funktionsprinzips des Extruders beschrieben. Es wird gezeigt, daû die Vergleichsmethode fuè r Schnecken-Zylinder-Konzepte aussagekraè ftig ist. A Comparison between various Screw-Barrel-Concepts for Rubberextruders Part 2: Application of the Method Rubber-extruder Drag/Pressure Flow Extruder-characteristics Energy Balance Homogeneity Pin-Barrel-Extruder Transfermix Extruder MCTD- Extruder Pin Convert Extruder In this contribution the process in a rubber extruder is explained by means of the drag/pressure flow theory. Important process parameters, beside the screw speed, are the output, head pressure, specific energy and extrudate temperature By means of a simplified theory it can be explained that the output per screw rotation is influenced by the head pressure. The extrudate temperature increases and the homogeneity of the extrudate improves at increasing head pressure. Various screw-barrel-designs are compared to each other. Results obtained from extruder experiments are explained by means of the working principle of the extrusion process. It is shown that the presented procedure to compare different extrusion processes got evidence. Ein Vergleich verschiedener Schnecken-Zylinder-Konzepte fuèr Kautschukextruder Teil 2: Anwendung der Methode G. Nijman, Enschede NL In Teil 1 dieser Arbeit [1] wurde eine Methode um Extrusionsprozesse miteinander zu vergleichen, vorgestellt. Die Methode beruht auf einer Energiebilanz des Extrusionsprozesses. Die Antriebsenergie wurde mit der Summe der Pumpenenergie, der EnthalpieerhoÈ hung und der KuÈ hlenergie bilanziert. Es wurde gezeigt, daû die Pumpenleistung nur einen geringen Teil der Antriebsleistung betraè gt. Die KuÈ hlenergie, die EnthalpieerhoÈ hung sowie die Pumpenenegie werden von der Drehzahl, dem angewendeten StroÈmungswiderstand im Extrusionskopf (z. B. durch Einsatz unterschiedlicher Werkzeuge) und vom Schnecken-Zylinder-Konzept bestimmt, welches im wesentlichen durch die Schneckengeometrie, die Extruder-Temperierung und/ oder die Bestiftung im Falle eines Stift-Extruders usw. bestimmt wird. Nach Limper [2] wird der Betriebs- oder Arbeitspunkt des Extruders vom VerhaÈ ltnis der Pumpenleistung, der KuÈ hlleistung, beziehungsweise der EnthalpieerhoÈ hung zur Antriebsleistung bestimmt. Somit duè rfte man Extrusionsprozesse nur bei der gleichen Energiebilanz miteinander vergleichen. In [1] wurde dargestellt, wie man aus den Extrudercharakteristiken naè herungsweise eine Energiebilanz aufstellt, wenn der Ausstoû, die Massentemperatur, der Kopfdruck und die spezifische Antriebsenergie als Funktion der Schnekkendrehzahl aus Untersuchungen bekannt sind. Die vorliegende Arbeit befaût sich mit dem Vergleich Schnecken-Zylinder-Konzepten auf der Grundlage der in [1] vorgestellten Methode. In den Vergleich einbezogen sind der Stift-Extruder, ein glatter KaltfuÈ tterextruder, der Multicut-Transfermix-Extruder (MCTD-Extruder) [3] und der Stift-Convert-Extruder (SC-Extruder) [4]. Die hierfuè r verwendeten Rezepturen der Mischungen sind in Tab. 1 angegeben. Da das Flieûverhalten einer Mischung, ausgeloè st durch die konstruktiven Gegebenheiten der jeweiligen Extruder, unterschiedlich ist, koè nnen gerade Unterschiede in den FlieûvorgaÈ ngen im Schneckenkanal zum Vergleich herangezogen werden. Die Theorie der FlieûvorgaÈ nge ist ausfuè hrlich in [5] beschrieben. Die StroÈmung einer Mischung im Scheckenkanal kann als eine kombinierte Schlepp/ DruckstroÈ mung aufgefaût werden, die einen distributiven Mischeffekt erzeugt. Tab. 1. Mischungszusammensetzung (Angaben in phr) NR (ML50) SBR (ML90) NR 50 SBR SBR BR 30 Ruû Weichmacher 22 7 Zinkoxid 5 5 StearinsaÈure 3 1 IPPD 1,5 1 TMQ 3 2 Wachs 1 2 Schwefel 3 2 Beschleuniger 0,9 1,1 484 KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000

2 Der Mischprozeû im Extruder Problembeschreibung Abb. 1. ¹Jahresringeª in einem inhomogenen Extrudat Im Idealfall hat das Extrudat eine homogene Zusammensetzung und eine gleichmaè ûige Temperaturverteilung. Falls die chemische Zusammensetzung der Mischung ausreichend homogen ist, bevor sie dem Extruder zugefuè hrt wird, gibt es keinen Grund anzunehmen, daû die Mischung sich veraè ndert. Das bedeutet, daû das Extrudat bezuè glich der Zusammensetzung mindestens genau so homogen ist wie die zugefuè hrte Mischung. Die Verweilzeit der Mischung im Extruder, sowie das SchergefaÈ lle des Extrusionsvorgangs variieren erheblich. Dies folgt nicht nur aus Messungen, die sich leicht ausfuè hren lassen, indem man z. B. eine gelb eingefaè rbte Mischung nach einer blau eingefaè rbten Mischung extrudiert, wobei noch nach laè ngerer Zeit ein gruè nes Extrudat entsteht. Informationen uè ber die Verweilzeit ergeben sich auch aus der Modellbeschreibung des Extruders [5]. Eine Variation der Verweilzeit und der Scherbeanspruchung der Mischung waè hrend des Extrusionsvorgangs hat auch eine Variation in der viskosen AufwaÈ rmung und der Extrudattemperatur zur Folge. Bei einem stabil verlaufenden Extrusionsprozeû wurden Temperaturunterschiede von 30 8C und mehr innerhalb des Extrudats festgestellt [6]. Aus der Praxis ist bekannt, daû TemperaturinhomogenitaÈ ten sich visuell feststellen lassen. Die OberflaÈ che des Extrudats wird matt und unregelmaè ûig in der Form (Zeit- und Ortsvariationen der Spritzquellung). Dies ist auf die starke TemperaturabhaÈ ngigkeit der visko-elastischen Eigenschaften der Mischungen zuruè ckzufuè hren. Speziell NR-Mischungen sind sehr anfaè llig fuè r OberflaÈ cheninhomogenitaè ten. Wenn man ein stark inhomogenes Extrudat durchschneidet, sieht man eine Mehrschichtenstruktur, wobei die Konturen die Form von ¹Jahresringenª haben (Abb. 1). Man kann InhomogenitaÈ ten im Extrudat drastisch vermindern, indem man im Extruderkopf einen StroÈ mungswiderstand installiert. Dadurch steigt der Kopfdruck, faè llt der Ausstoû und steigen die Extrudattemperatur und die spezifische Energie. So wurde bei Extrudaten des in [1] erwaè hnten 150 mm Extruders mit einer groûen Spritzleiste eine hohe InhomogenitaÈ t beobachtet, waè hrend das mit der kleinen Spritzleiste erzeugte Extrudat optisch homogen ist. Der StroÈ mungswiderstand der kleinen Spritzleiste ist groè - ûer, wodurch der Ausstoû etwas gedrosselt wird. Bei WarmfuÈ tterextrusionsanlagen ergeben sich im allgemeinen keine InhomgenitaÈ ten, da die Walze die Mischung homogen aufwaè rmt. Die spezifische Energie des WarmfuÈ tterextrusionsverfahrens ist mit etwa 0.25 kwh/kg bedeutend hoè her als beim KaltfuÈ tterextrusionsverfahren. Theoretisches: Der Extruder als Mischaggregat Das abgewickelte Extrudermodell beschreibt eine ScherstroÈ mung in einem rechteckigen Kanal [7], wobei angenommen wird, daû der Zylinder sich um die Schnecke herum dreht und die Kanaltiefe viel kleiner ist als der Schneckendurchmesser. Der abgewickelte Zylinder entspricht also einer endlosen Platte, die sich mit einer Geschwindigkeit V in einem Winkel Q zur Kanalrichtung bewegt (Abb. 2). Abb. 2 zeigt, daû die StroÈ mung im Kanal spiralfoè rmig ist (siehe auch [1]). Die Steigung und der Durchmesser der Spirale fuè r jedes Volumenelement sind in groûem Maûe abhaè ngig von der Anfangsposition des Volumenelements. So wird ein Volumenelement, das sich am Anfang in PlattennaÈ he befindet, eine Spirale mit einem viel groè ûeren Durchmesser und einer kleineren Steigung durchlaufen als ein Volumenelement, das sich etwa auf 3/4 der KanalhoÈ he befindet. Dieses fuè hrt zwangslaè ufig zu einer raè umlichen Verteilung der Volumenelemente also zu Abb. 2. StroÈ mung in einem abgewickelten Schneckenkanal KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/

3 des einzumischenden Materials kaum eingemischt ist. In dem Maûe wie das DrosselverhaÈ ltnis zunimmt, verringert sich die Steigung der Spirale und steigt die Zahl der Zirkulationen in der QuerstroÈ mung. Das Material wird dadurch besser distributiv gemischt. FuÈ r die thermische HomogenitaÈ t bedeutet dies, daû kaltes Material besser in das bereits vorgewaè rmte Material verteilt wird. Im Einklang hierzu wurde festgestellt, daû eine Zunahme des Kopfdrucks zu einer groè ûeren HomogenitaÈ t des Extrudats (und zu einem niedrigeren Ausstoû und einer hoè heren Extrudattemperatur) fuè hrt [1]. Um ein thermisch homogenes Extrudat zu erzielen, muû der sogenannte kalte Kern, der sich, umgeben von waè rmerer Mischung, im Schneckenkanal befindet, eliminiert werden, bevor die Mischung den Extruder verlaè ût. Die Extruderschnecke kann daher noch mit weiteren Elementen versehen werden, um die Mischwirkung zu verbessern, ohne daû der Ausstoû verringert wird. Die nachfolgend dargestellten Schnekken-Zylinder-Konzepte nutzen Konstruktionsprinzipien um die Mischwirkung im Schneckenkanal weiter zu verbessern. Vergleich von Schnecken- Zylinder-Konzepten Der Stift-Extruder (Querstrom-Mischextruder) Abb. 5. Die abgewickelte Stift-Extruder- Schnecke einem distributiven Mischprozeû, der auf einer Kombination von Deformieren und Neuorientieren beruht, wie aus Abb. 3 hervorgeht [8]. Man kann sich vorstellen, daû das Material in der Querrichtung des StroÈ mungskanals im abgewickelten Schneckenmodell eine Scherung erfaè hrt. Dieses geht auch aus einem Modellexperiment hervor, in dem ein Mischeffekt in der Querrichtung nachgewiesen wurde [9]. Dieses Experiment zeigt auûerdem, daû ein Teil Abb. 3. Skizze eines Deformierund Neuorientierungsprozesses Abb. 4. Der Stift- Extruder Wie schon einfuè hrend erwaè hnt [1], war die Erfindung des Stift-Extruders durch Menges, Harms und Hegele der groûe Durchbruch in der kalt gespeisten Kautschukextrusion [10]. Diese Konstruktion, auch bekannt als Querstrom-Mischextruder, wirkt nach dem Prinzip der Deformierung und Neuorientierung. Die Schnekkenstege sind an verschiedenen Stellen durchbrochen (Abb. 4). In den Schlitzen befinden sich Stifte, die aus der Zylinderwand hinausragen. Wenn die Schnecke sich dreht, ¹laufenª die gleichmaè ûig uè ber die Zylinderwand verteilten Stifte durch die Schlitze in den Schneckenstegen. Auf dem Zylinder gibt es, aus axialer Sicht, 6 bis 12 Ebenen mit je 6 bis 12 Stiften, die in die Schnecke hineinragen. Abb. 5 zeigt die Abwicklung der Schnecke eines Stift-Extruders. Schon allein die Schlitze im Schneckensteg bilden eine NeuorientierungsmoÈ glichkeit fuè r die Mischung. Ein Teil des Mischungsstroms wird aus dem Kanal durch den Schlitz in einen angrenzenden Kanal gezogen. Die Stifte foè rdern diesen Neuorientierungsvorgang. Der distributive Mischvorgang und die Neuorientierungen in der NaÈ he eines Stiftes werden bei eingefaè rbten Mischungen durch farbige Stromlinien deutlich erkennbar. Abb. 6 bis 9 zeigen einen Leistungsvergleich zwischen einem Stift-Extruder und einem glatten Extruder dessen Schnecke mit Drosselelementen bestuè ckt war. Wie ersichtlich weichen die Extrusionscharakteristiken voè llig von einander ab. Obwohl die Betriebspunkte der Extruder unterschiedlich sind, kann man aus den Ausstoû/Extrudattemperaturen schlieûen, daû wegen der erheblich geringeren Extrudattemperatur der Stift-Extruder zu bevorzugen ist. Damit waè re nicht nur die geringere DruckabhaÈ ngigkeit des Ausstoûes zu erklaè ren, sondern auch die gute HomogenitaÈ t des Extrudats. Neben der geringeren spezifischen Energie die beim Stift-Extruder benoè tigt wird, ist auch der hoè here Ausstoû pro Umdrehung vorteilhaft. 486 KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000

4

5 Abb. 6. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D glatten Extruder (&) und einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~). Mischung NR50. ¾¾ : Ausstoû; : Kopfdruck Abb. 7. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D glatten Extruder (&) und einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~). Mischung NR50. ¾¾ : Massetemperatur; : Spezifische Energie Abb. 9. Die Energie-Bilanzen die zum Vergleichstest zwischen einem 150 mm /14D glatten Extruder (&) und einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) gehoè ren. Mischung NR50 Abb. 8. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D glatten Extruder (&) und einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~). Mischung NR50. ¾¾ : Kopfdruck; : Massetemperatur Die Maillefer-Schnecke Das aus der Kunststoffextrusion bekannte Prinzip der Maillefer-Schnecke [12], wird in der Kautschukextrusion verwendet, um die HomogenitaÈ t des Extrudats zu verbessern. Charakteristisch fuè r Schnecken mit einem oder mehreren Mailleferbereichen, auch bekannt als ¹plastiscrewª [13], sind zwei sich uè berlagernde Schneckenstege auf dem Schneckenkern die durch unterschiedliche Steigung charakterisiert sind. Die Steigung der zweiten ¹Maillefer-Stegesª ist weniger hoch. Da das Spiel zwischen Schneckensteg und Zylinder ungefaè hr 0.05D (Abb. 10) betraè gt, wird bewuût ein Leckstrom uè ber diesen Schneckensteg verursacht. Wie sich aus der abgewickelten Schneckengeometrie ergibt, wird jedes Kautschukvolumenelement uè ber den Maillefersteg gezwungen. Der kalte Kern wird gegen den Zylinder gepreût, was die HomogenitaÈ t des Extrudats erheblich verbessert. DaruÈ berhinaus hat die Mailleferschnecke eine selbstreinigende Wirkung. Ein Nachteil dieses Konzepts ist, daû der Maillefer-Schnekkensteg eine drosselnde Wirkung auf den Ausstoû hat und damit eine ErhoÈ KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000

6 Abb. 10. Eine Maillefer-Schnecke hung der Extrudattemperatur bewirkt. Die Drosselwirkung kann zwar reduziert werden, indem man die HoÈ he des Schneckenstegs verringert, jedoch wird damit auch der homogenisierende Effekt verringert. Aus diesem Grund sollte dieser Schneckentyp vor allem bei relativ weichen Mischungen angewendet werden. Bei hochviskosen Mischungen fuè hrt die Anwendung einer Mailleferschnecke zu unakzeptabel hohen Extrudattemperaturen. Wenn man die Steigung des Mailleferschneckensteges und die der Hauptschnecke aufeinander abstimmt, vermeidet man, daû der Druck in axialer Richtung abfaè llt. Ein Druckabfall koè nnte naè mlich zu Lufteinschluû im Extrudat und zu PorositaÈ t im Halbzeug fuè hren. Obwohl der Stift-Extruder heutzutage in der kautschukverarbeitenden Industrie allgemein angewendet wird, lassen sich nicht alle Kautschukmischungen zufriedenstellend mit einem Stift-Extruder verarbeiten. Da Mischungen, die kritisch in Hinsicht auf die HomogenitaÈ t des Extrudats sind, vor allem bei niedrigen KopfdruÈ cken InhomogenitaÈ ten zeigen, werden in manchen FaÈ llen Stift-Extruder mit einem Mailleferelement ausgestattet. Abb. 11 bis 14 zeigen den Effekt eines Maillefer-Teils in einem Stift-Extruder. Im Versuch wurde eine Schnecke, die urspruè nglich 14D LaÈ nge hatte, mit einem Maillefer-Teil um 2D verlaè ngert. Die urspruè ngliche Schnecke konnte die Mischung nicht ausreichend homogen aufbereiten. Das Maillefer-Teil verbesserte die HomogenitaÈ t. Der Ausstoû war auch etwas hoè her und die Extrudattemperatur etwas niedriger, was zu einer leichten AÈ nderung des Betriebspunktes gefuè hrt hat. Die niedrigere Extrudattemperatur kann dadurch erklaè rt werden, daû bei der UÈ berstroè mung des Maillefer-Steges die Mischung in Kontakt mit der relativ kuè hlen Zylinderwand kommt. Die etwas hoè here KuÈ hlleistung spricht auch dafuè r. Der Vergleich 16D Stift-Extruder mit einem 14D Stift-Extruder mit einem 2D Maillefer-Element konnte auf Grund der nicht VerfuÈ gbarkeit nicht durchgefuè hrt werden, obwohl dieses Experiment zusaè tzliche Informationen in dieser Hinsicht ergeben wuè rde. Der Transfermix-Extruder Eine effiziente ErhoÈ hung der Mischwirkung eines Kautschukextruders kann man erreichen, indem man in der Schnecke ein Transfermixteil anbringt (siehe Abb. 15). Dieses Extruderkonzept hat nicht nur auf der Schnecke einen Schneckensteg, sondern auch zusaè tzlich schneckenartige StroÈ mungskanaè le die im Zylinder angebracht sind [14]. Die Kanaltiefe der Schnecke nimmt zunaè chst ab, und die Kanalabmessungen im Zylinder werden gleichzeitig groè ûer bis die Kanaltiefe in der Schnecke auf Null reduziert ist. Mit anderen Worten, die Mischung befindet sich an diesem Punkt voè llig im Zylinder. Der gesamte Querschnitt der StroÈ - mungskanaè le bleibt, axial gesehen, konstant. Die Steigung ist entgegengesetzt, so daû der Nettotransport in Richtung Spritzkopf immer gewaè hrleistet ist. Nachdem die Schneckenkanaltiefe auf Null reduziert ist, nimmt sie gleichmaè ûig wieder zu, bis die Kanaltiefe im Zylinder auf Null reduziert ist. Durch die vielen Neuorientierungen wird eine hoè chst effiziente Mischwirkung erzielt und aè uûerst homogene Extrudate hergestellt. Vor allem wird der HomogenitaÈ tsunterschied in der Mischung bei diesem Extruderkonzept stark reduziert, da jedes Kautschukvolumenelement einmal in den Zylinder flieût. SelbstverstaÈ ndlich ist der kalte Kern hierdurch eliminiert. Der groûe Nachteil dieses Extruderkonzepts sind die hohen Herstellungskosten des Zylinders und der Schnecke. Als weiterer Nachteil waè re anzumerken, daû die Selbstreinigung nicht unter allen UmstaÈ nden gewaè hrleistet ist. Die erwaè hnten Nachteile haben zu einer Weiterentwicklung des Transfermix-Extruders gefuè hrt, woraus der MCTD-Extruder und der Stift-Convert- Extruder hervorgegangen sind. Der MCTD-Extruder und der Stift-Convert-Extruder als Beispiele des Transfermixverfahrens Der Multicut-Transfermix-Extruder, MCTD- Extruder, der Firma RCM [2] ist eine Modifikation des Transfermixers, die darin besteht, daû der Schneckenkanal im Transfermixteil in verschiedene ParallelkanaÈ le aufgeteilt wird und daû die KanaÈ le im Zylinder auûerdem mehrfach parallel nebeneinander liegen. An der Stelle, wo die Schneckenkanaltiefe auf null reduziert ist, sind die ZylinderkanaÈ le mit einem ellipsenfoè rmigen FluÈ gel ausgestattet, der von auûen gedreht werden kann. Dadurch wird eine zusaè tzliche Drosselung erreicht, die eine homogenisierende, gleichzeitig aber auch eine durchsatzverringernde Wirkung hat (siehe Abb. 16). Im Vergleich zum urspruè nglichen Transfermix wird das Material vor allem durch die ParallelkanaÈ le zu mehr Neuorientierungen gezwungen. Die zusaè tzliche regelbare DrosselmoÈ glichkeit mittels der FluÈ gel kann jedoch ein Problem verursachen: Durch die starke Drosselung kann einerseitz die Temperatur oè rtlich ansteigen und andersseitz koè nnen beim Druckabfall hinter der Drossel sich Luft- bzw. Dampfblasen bilden, oder durch thermolytischen Zerfall niedermolekulare Verbindungen gebildet werden, was auch zur Gasentwicklung bzw. Blasenbildung im Extrudat fuè hrt. Im unguè n- stigsten Fall bewirkt der Druckabfall in Extrusionsrichtung, daû fluè chtige Bestandteile nicht mehr durch die Einzugszone entweichen koè nnen und so zu einer unakzeptabelen PorositaÈ t im Halbzeug fuè hrt. SelbstverstaÈ ndlich wird in dieser Situation den Durchsatz stark reduziert. Eine Alternative fuè r den MCTD-Extruder ist der Stift-Convert-Extruder (SC), der auch auf dem Prinzip des Transfermixers beruht [3]. Als charakteristischer Zusatz sind zwischen der Einzugs- und der Transfermixzone einige Reihen von Stiften angebracht. Auf diese Weise werden die Vorteile des Stift-Extruders und des Transfermixers kombiniert. Anstatt 10 oder mehr Stiftebenen sind in einem Stift-Convert-Extruder nur einige Stiftreihen montiert. Die schlechtere Mischwirkung der Stiftzone wird aber durch die Transfermixzone kompensiert. In der KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/

7 Abb. 11. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D Stift-Extruder (&) und einem 150 mm/(14d 2DMaillefer) Stift-Extruder (~). Mischung NR50 ¾¾ : Ausstoû; : Kopfdruck Abb. 12. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D Stift-Extruder (&) und einem 150 mm/(14d 2DMaillefer) Stift-Extruder (~). Mischung NR50 ¾¾ : Massetemperatur; : Spezifische Energie Abb. 14. Die Energie-Bilanzen die zum Vergleichstest zwischen einem 150 mm /14D Stift-Extruder (&) und einem 150 mm / (14D 2DMaillefer) Stift-Extruder (~) gehoè ren. Mischung NR50 Abb. 13. Vergleich zwischen einem 150 mm /14D Stift-Extruder (&) und einem 150 mm/(14d 2DMaillefer) Stift-Extruder (~). Mischung NR50 ¾¾ : Kopfdruck; : Massetemperatur Transfermixzone werden, wie bei dem MCTD-Extruder, mehrere ParallelkanaÈ le zur Verbesserung des Neuorientierungsvorgangs angewendet. Auûerdem ist im Bereich, wo der Schneckenkanal verschwindet, eine verstellbare Drosselvorrichtung eingebaut. Bei dem Stift-Convert-Extruder werden radial verstellbare Stifte angewendet (Abb. 17). Abb. 18 zeigt die abgewickelte Schneckengeometrie des Stift-Convert-Extruders. UÈ ber der abgewickelten Schneckengeometrie ist eine Zeichnung der abgewikkelten Zylindergeometrie gezeigt. Die groûe Anzahl NeuorientierungsmoÈ glichkeiten ist deutlich erkennbar. Dies gilt uè brigens auch fuè r den MCTD-Extruder. FuÈ r die DrosselmoÈ glichkeit im Transfermixteil gilt wieder das oben angefuè hrte. Eine zusaè tzliche Drosselung fuè hrt zwar zu einer besseren HomogenitaÈ t, beeintraè chtigt aber den Ausstoû und die Extrudattemperatur. Auûerdem besteht die MoÈ glichkeit, daû das Extrudat durch fluè chtige Bestandteile etwas poroè s wird. In den Abb. 19 bis 26 sind die Ergebnisse eines Vergleichsversuches zwischen einem Stift-Extruder und einem Stift-Convert-Extruder fuè r zwei Mischungen dargestellt. 490 KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000

8

9 Abb. 15. Der Transfermix-Extruder Abb. 16. Der MCTD-Extruder Abb. 18. Die abgewickelte Schnecke des SC-Extruders Abb. 17. Der Stift-Convert-Extruder Die Abb. 19 bis 22 zeigen, daû bei aè hnlichen Betriebspunkten der Stift-Convert- Extruder fuè r hochviskose homogenunkritische Mischungen wesentlich besser geeignet ist. Die Extrudattemperaturen liegen beim gleichen Ausstoû mehr als 20 8C niedriger. Die spezifische Energie ist auch erheblich geringer. Man bekommt aus einem SC-Extruder den gleichen Ausstoû mit weniger Energie und einer niedrigeren Massetemperatur, weil eine deutlich effizientere Scherung und Mischwirkung im SC-Extruder als im Stift-Extruder zugrunde liegt. GrundsaÈ tzlich wuè rde ein Versuch mit einem Stift-Extruder BaulaÈ nge 11D die bessere Mischwirkung des SC-Extruders nachweisen. FuÈ r die hinsichtlich der HomogenitaÈ t kritische NR50 Mischung sind die Vorteile des SC-Extruders nicht im Vergleichtest gezeigt worden (siehe Abb. 23 bis 26). Die justierbare Drosselung im Verfahrensteil des SC-Extruders war maximal eingestellt, um eine gerade noch ausreichende HomogenitaÈ t zu erreichen. Auch der Stift- Extruder konnte erst mit einer Drosselung im Kopf, die durch eine Schablone mit einer kleineren OÈ ffnung realisiert ist und einer Anstieg des Kopfdruckes von etwa 40 Bar auf etwa 70 Bar zufolge hatte, die Mischung ausreichend homogen aufbereiten. Dagegen war die PorositaÈ t im Extrudat des SC-Extruders deutlich im Querschnitt sichtbar. Dieses Ergebnis koè nnte durch den hohen Druckaufbau vor dem Verfahrensteil bewirkt sein. Der Transefermixerteil wuè rde im diesen Fall uè berfahren, d. h, daû der Druck sich mit zunehmender Entfernung vom Einzugbereich verringert. Gase, die im Verfahrensteil entstehen, koè nnen dann nicht mehr uè ber den Einzug wegflieûen, und verursachen vermutlich die hoè here PorositaÈ t. Folgerungen * Die vorgestellte Methode, um Schnekken-Zylinder-Konzepte miteinander vergleichen zu koè nnen, hat sich bewaè hrt. * Um Extrusionsverfahren miteinander vergleichen zu koè nnen, muû die DrehzahlabhaÈ ngigkeit des Austoûes, des Kopfdrucks, der Extrudattemperatur und der spezifischen Energie gemessen werden. In der Auswertung sollen mindestens die Energiebilanz, die Pumpencharakteristik sowie das Ausstoû- Extrudattemperaturverhalten einbezogen sein. * Ein Stift-Extruder oder ein Transfermix- Extruder ist fuè r die Profilextrusion im Vergleich zu einem glatten KaltfuÈ tterextruder besser geeignet. * Falls die Mischung hinsichtlich der HomogenitaÈ t unkritisch ist, bietet der Transfermix-Extruder gegenuè ber dem Stift-Extruder bessere QualitaÈ t. * Falls eine ausreichende HomogenitaÈ t des Extrudates nur mit fast voller Dros- 492 KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000

10

11

12 Abb. 19. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder ohne Drosselung. (&) (Mischung: SBR90.) ¾¾ : Ausstoû; : Kopfdruck Abb. 20. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder ohne Drosselung. (&) (Mischung: SBR90.) ¾¾ : Massetemperatur; : Spezifische Energie Abb. 22. Die Energie-Bilanzen die zum Vergleichstest zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder ohne Drosselung (&) gehoè ren. (Mischung: SBR90.) Abb. 21. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder ohne Drosselung. (&) (Mischung: SBR90.) ¾¾ : Kopfdruck; : Massetemperatur selung im Stift-Convert-Extruder erreicht wird, ist ein Stift-Extruder wegen der geringeren PorositaÈ t im Extrudat zu empfehlen. Danksagung Den Firmen Krupp Elastomertechnik Gmb, Hamburg, und Berstorff GmbH, Hannover, wird hiermit herzlich gedankt fuè r die Zustimmung zur VeroÈ ffentlichung der Meûergebnisse, die auf ihren Technikumsanlagen erarbeitet wurden. Literatur [1] G. Nijman, Kautsch. Gummi Kunstst. (eingereicht). [2] A. Limper, Dissertation, RWTH Aachen, (1985). [3] W.J.D. Francis, Rubber Technology International 96, (1996) 227. [4] G. Capelle, Gummi Fas. Kunst. 48, (1995) 311. [5] A. Limper, P. Barth und F. Grajewski, Technologie der Kautschukverarbeitung; Hanser, MuÈ n- chen, Wien (1989). [6] H.J. Laake, Dissertation, UniversitaÈ t Hannover, (1990). [7] C. Rauwendaal, Polymer Extrusion; Hanser, Munich, Vienna, New York; 2. reprinted ed; (1990) Ch 7. KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/

13 Abb. 23. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem fast voll gedrosselten 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder (&). (Mischung NR50.) ¾¾ : Ausstoû; : Kopfdruck Abb. 24. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem fast voll gedrosselten 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder (&). (Mischung NR50.) ¾¾ : Massetemperatur; : Spezifische Energie Abb. 26. Die Energie-Bilanzen die zum Vergleichstest zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem fast voll gedrosselten 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder (&) gehoè ren. (Mischung NR50.) Abb. 25. Vergleich zwischen einem 150 mm /16D Stift-Extruder (~) und einem fast voll gedrosselten 150 mm /11D Stift-Convert-Extruder (&). (Mischung NR50.) ¾¾ : Kopfdruck; : Massetemperatur [8] Z. Tadmor und C.G. Gogos, Principles of Polymer Processing, Wiley, New York Chichester Brisbane Toronto Singapore, (1979) Ch 11. [9] D.M. Big und S. Middleman; Ind. Eng. Chem. Fundam., 13, (1974) 184. [10] E. Harms, Dissertation an der RWTH Aachen, [12] Rauwendaal, C., Polymer Extrusion; Hanser, Munich, Vienna, New York; 2. reprinted ed. (1990) Ch. 9. [13] D.H. Smith und R.L. Christy, Rubber Chem. Technol.; 45, (1972) [14] S.E. Perlberg, Rubber World, 2, (1967) 71. Autor Der Autor Dr. Gerard Nijman ist Manager Technologie bei Vredestein Banden BV. DaruÈ berhinaus ist er Dozent fuè r Kautschukextrusion am Deutschen Institut fuè r Kautschuktechnologie in Hannover und fuè r Kautschukverarbeitung an der UniversitaÈ t Twente in Enschede (NL) Korrespondenz Dr. Gerard Nijman Vredestein Banden B.V. P.O Box 27 NL Enschede 496 KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe 53. Jahrgang, Nr. 9/2000