METHOD OF AND APPARATUS FOR FILLING THERMOPLASTIC MATERIAL WITH REINFORCING MATERIAL

Abstract: 1. A method of filling thermoplastic material with a reinforcing material wherein the thermoplastic material is supplied in granulate form and is melted in screw-type extrusion apparatus, and wherein additional granulate and then the reinforcing material are supplied separately to the melt in the mixing section of the extrusion apparatus, characterized in that the additional granulate (34) is homogenously blended with the melt by mixing and keneading elements (13, 28) provided between the sites of introduction (12, 14) for the additional granulate (34) and the reinforcing material (35), and in that in the process the additional granulate is melted superficially only to the extent of still being solid interiorly in the area of introduction of the reinforced material (35).

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit Verstärkungsstoff zu füllendem thermoplastischem Material Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von mit Verstärkungsstoff zu füllendem, als Granulat zugeführtem thermoplastischem Material mit einem das Material aufschmelzenden Schnecken welchem extruder, bei / dem erschmolzenes Material enthaltenden Mischbereich des Extruders der Verstärkungsstoff mit Zusatzgranulat zugeführt wird. Bei einem aus der DE-OS 26 01 696 bekannten Verfahren wird das thermoplastische Material dem Eingang eines Einschneckenextruders in Form von Granulat zugeführt, das dann im Aufschmelzbereich des Extruders erschmolzen und im Mischbereich mit dem Verstärkungsstoff versehen wird. Zu diesem Zweck ist zu Beginn des Mischbereichs ein besonderer Zuführungskanal für den Verstärkungsstoff vorgesehen, der dann längs des Mischbereichs zwecks Homogenisierung des Materials mit dem erschmolzenen thermoplastischen Material vermischt wird. Gemäss der DE-OS 26 14 136 kann man bei einem Doppelschnekkenextruder in dessen Mischbereich auch mehrere Zuführungskanäle für Verstärkungsstoffe vorsehen. Da nun für das Einmischen von Verstärkungsstoffen eine gewisse Extruderlänge notwendig ist, um die gewünschte Homogenisierung des Materials zu erhalten, ergibt sich bei diesem bekannten Verfahren der unerwünschte Effekt, daB das erschmolzene thermoplastische Material über eine beträchtliche Länge im Mischbereich geführt werden muss, was häufig die Eigenschaften des thermoplastischen Materials ungünstig beeinflusst. Aus diesem Grunde muss man entweder derartige Schneckenextruder mit relativ geringer Drehzahl betreiben oder diese zusätzlich im Mischbereich kühlen, um eine zu lange dauernde Überhitzung des thermoplastischen Materials zu vermeiden. Um diesem unerwünschten Effekt entgegenzuwirken, ist gemäss einem Artikel aus der Zeitschrift "PLASTVERARBEITER Heft 3, 1980, Seiten 125 bis 132,vorgeschlagen worden, im Zusammenhang mit der Verwendung von Glasfasern als Verstärkungsstoff diese zusammen mit Zusatzgranulat über den gleichen Zuführungskanal am Anfang des Mischbereichs einem Schneckenextruder zuzuführen. Die Beimengung des Zusatzgranulats führt dann zu einer Abkühlung des im Mischbereich enthaltenen, aufgeschmolzenen thermoplastischen Materials und wirkt somit dem Effekt entgegen, dass das Material zu lange einer hohen Temperatur ausgesetzt ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich vor allem im gemeinsamen Zuführungskanal für die Glasfasern und das Zusatzgranulat eine erhebliche Reibung zwischen diesen Stoffen ergibt, was zu einer weitgehenden Zerstörung der Glasfasern, in jedem Falle aber zu deren unerwünschter Verkürzung führt. Ausserdem ergibt sich hierbei eine starke Abnutzung an den Wänden des Zuführungskanals. Es ist darüber hinaus aus der DE-OS 1 927 271 bekannt, zum Einarbeiten von Glasfasern, die insbesondere in Form endloser Stränge vorliegen, in thermoplastische Kunststoffe mit engem Schmelzbereich im Mischbereich des Extruders der Schmelze zunächst das Zusatzgranulat und danach getrennt davon die Glasfasern beizumischen. Diese Art der getrennten Zuführung dient dabei dem Zweck, eine Zerkleinerungswirkung des Zusatzgranulats auszunutzen, die umso gröber ist, je kurzer der Weg des ungeschmolzenen Zusatzgranulats bis zu einer Knetvorrichtung ist, die nach der Zufuhrungsstelle für die Glasfasern angeordnet ist, da das Zusatzgranulat sich zu trockenen Klumpen zusammenbailt, die die G1asfa##o stark zerkleinern, daS diese einen unerwtlnscht hohen Anteil an Fein bruch auf@@@@@@ der zueiner Versprödung des Endproduktes führt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, dieser Zerkleinerungswirkung des Zusatzgranulats entgegenzuwirken und somit den Verstärkungsstoff dem thermoplastischen Material in schonender Weise beizumischen. Erfindungs gemäss geschieht dies dadurch, dass das Zusatzgranulat durch zwischen den Zuführungsstellen für das Zusatzgranulat und den Verstärkungsstoff vor gesehene Misch- bzw. Knetelemente mit der Schmelze vermischt und dabei oberflächlich so weit abgeschmolzen wird, dass im Bereich der Zuführung des Verstärkungsstoffs das Zusatzgranulat noch in fester Form ohne wesent liche Abschmelzung in der Schmelze enthalten ist. Im Gegensatz zu der aus der vorstehend erwähnten DE-OS 1 927 271 bekannten Vorrichtung wird also durch die Anordnung der Misch- und Xnetelemente zwischen den Zuführungsstellen für das Zusatzgranulat und dem Verstärkungsstoff, al so noch vor der Zuführungsstelle für den Verstärkungsstoff, erreicht, dass einerseits das Zusateranulat weitgehend homogen in der Schmelze enthalten mit ist, wenn die Schmelze dem Zusatzgranulat auf die Zuführungsstelle für den Verstärkungsstoff trifft, der nunmehr besonders schonend mit der Schmelze vermischt wird, da das Zusatzgranulat an dieser Stelle oberflächlich bereits etwas abgeschmolzen ist, im Inneren jedoch seine feste Form noch erhalten hat, so dass durch das Zusatzgranulat eine intensive Binmischung des Ver stärkungsstoffs erfolgt, der dabei jedoch selbst wegen der gleichmässigen Erweichung bis zur Verflüssigung an der Oberfläche des Zusatzgranulats nur geringen Biege- und Scherbeanspruchungen ausgesetzt wird, so dass die starke Zerkleinerungswirkung des Zusatzgranulates wie bei der bekannten Vorrichtung damit aufgehoben ist Wegen der Einhüllung des Zusatzgranulates durch erschmolzenes Material w#ird der Verstärkungsstoff keiner trockenen Reibung ausgesetzt, da die das Zusatzgranulat einhüllende Schmelze in Bezug auf den Verstärkungsstoff gewissermassen als Schmierung wirkt, dieses also entsprechend schonend be handelt, wobei aber dennoch der intensive Einmischungseffekt durch das Zu satzgranulat erhalten bleibt. Darüber hinaus ergibt sich der erwünschte Effekt der Kühlung des erschmolzenen Materials, so dass dieses keinen zu hohen thermischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Bei dem Zusatzgranulat kann es sich um das gleiche thermoplastische Ausgangsmaterial oder auch um ein anderes zur Zumischung geeignetes Material handeln. Das Zusatzgranulat führt man zweckmässig mit einer solchen Menge zu, dass es 10 bis 60%, vorzugsweise 30 bis 50% der gesamten Granulatmenge ausmacht. Als Verstärkungsstoff werden vor allem Fasern, insbeson dere Glas- oder Carbonfasern verwendet. Ausserdem können als Verstärkungsstoff auch Glaskugeln verwendet werden. Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf einen Schnecken extruder zur Durchführung des oben beschriebenen Ver fahrens, bei dem in bekannter Weise mehrere längs der Extruderachse verteilte Zuführungskanäle vorgesehen sind. Ein derartiger Schneckenextruder ist aus der oben er wähnten DE-OS 26 14 136 bekannt. Der erfindungsgemässe Schneckenextruder ist derart gestaltet, dass der Zuführungskanal für das Zusatzgranulat am Anfang des Mischbereichs liegt und der Zuführungskanal für den Verstärkungsstoff so dicht nach dem Zuführungskanal für das Zusatzgranulat angeordnet ist, dass das Zusatzgranulat ohne wesentliche Abschmelzung in die Schmelze eingebettet ist, wobei zwischen den beiden Zuführungskanälen die Schnecke durch Misch- bzw. Knetelemente unterbrochen ist. Die beiden Zuführungskanäle liegen also relativ dicht beieinander, so dass das Zusatzgranulat, wenn es bei seinem Transport durch den Schneckenextruder in den Bereich des Zuführungskanals für den Verstärkungsstoff gelangt, in die Schmelze noch ohne wesentliche Abschmelzung eingemischt ist, wobei diese Einmischung durch die zwischen den beiden Zuführungskanälen angeordneten Misch- und Knetelemente herbeigeführt wird. Der zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendete Schneckenextruder kann als Einschneckenextruder oder als Doppelschneckenextruder ausgebildet sein. Es hat sich als zweckmässig herausgestellt, dem dem Mischbereich vorhergehenden Aufschmelzbereich einen Schneckendurchmesser zu geben, der kleiner ist als der Schneckendurchmesser im Mischbereich, wobei die Schnecken im Aufschmelzbereich eine grössere Gangzahl aufweisen als im Mischbereich. Hierdurch ergibt sich eine Vergrösserung des freien Querschnitts im Mischbereich, was der Zuführung sowohl des Zusatzgranulats als auch des Verstärkungsstoffs zugute kommt. In den betreffenden Zuführungskanälen ergibt sich dann keinerlei Rückstau. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen Einschneckenextruder, Fig. 2 einen Zweischneckenextruder mit Abstufung des Schneckendurchmessers, Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie A-A aus Fig. 2, Fig 4 einen Querschnitt längs der Linie B-B aus Fig. 2. Der in der Fig. 1 dargestellte Einschneckenextruder besteht aus dem Gehäuse 1, in das die Schnecke 2 mit den beiden Gängen 3 und 4 eingesetzt ist. Die Schnecke 2 ist in Bereiche unterschiedlichen Kerndurchmessers eingeteilt, wobei der Bereich 5 einen geringeren Kerndurchmesser aufweist als der folgende Bereich 6. Die Bereiche 7 und 9 weisen dann wieder den gleichen Kerndurchmesser auf wie der Bereich 5, wogegen die Bereiche -8 und 10 den gleichen grösseren Kerndurchmesser aufweisen wie der Bereich 6. In den Bereichen mit geringerem Kerndurchmesser, nämlich den Bereichen 5, 7 und 9 wird dem Einschneckenextruder Material zugeführt, und zwar dem Bereich 5 über den Einfüllkanal 11. Es handelt sich dabei um in Granulatform vorliegendes thermoplastisches Material 33, das aus dem Bereich 5 in den Bereich 6 überführt wird, wo es infolge des grösseren Kerndurchmessers einer intensivenscherung ausgesetzt wird, so dass es aufgeschmolzen wird. Die Bereiche 5 und 6 bilden dabei also den Aufschmelzbereich. Es folgt dann der Bereich 7, in dem bereits erschmolzenes thermoplastisches Material vorliegt. In diesem Bereich wird über den Zuführungskanal 12 Zusatzgranulat 34 zugeführt, das sich aufgrund des hier gegebenen geringeren Kerndurchmessers der Schnecke 2 ohne Rückstau dem er schmolzenen thermoplastischen Material > 3beimischen- lässt. In folgenden Bereichen 8 sind als Misch- bzw. Knetele mente wirkende Stifte 13 vorgesehen, die hier auch unter Berücksichtigung des vorhandenen grösseren Kerndurchmessers auf das zugeführte Material eine intensive Mischwirkung ausüben, wobei sich das über den Zuführungskanal 12 zugeführte Zusatzgranulatydem aufgeschmolzenen thermoplastischen 3.3 MaterialZinnig beimischt. Es folgt dann der Bereich 9 mit dem weiteren Zführungskanal 14, über den dem im Extruder transportierten Material ein Verstärkungsstoff 35. Z.B. Glasfasern zugeführt wird. Auch hier bewirkt der reduzierte Kerndurchmesser, dass sich im Zuführungskanal 14 kein Rückstau ergibt. In dem anschliessenden Bereich 10 erfolgt dann die Mischung von erschmolzenem thermoplastischem Material 33, dem Zusatzgranulat 34 und dem Verstärkungsstof 35, obei hier das Zusatzgranulat 34 ebenfallls erschmolzen wird, wobei dem bereits erschmolzenen thermoplastischen Materia erheblichem Umfang Wärme entzogen wird, so dass dieses Material keiner zu grossen thermischen Belastung ausgesetzt wird. Dabei spielen die Bereiche 7, 8, 9 und 10 die Rolle des Mischbereichs. Das endgültig gemischte Material, das aus einem Thermoplast und dem Verstärkungsstoff besteht, wird dann über die Düsenplatteo 15 den Düsen 16 ausgepresst. Das im Bereich 7 über den Zuführungskanal 12 zugeführte 34 Zusatzgranulat/wird in diesem Bereich zunächst keinem besonders grossen Druck ausgesetzt, weil hier die Schnecke 2 mit geringerem Kerndurchmesser ausgebildet ist. Es er folgt anschliessend die Mischung von erschmolzenem thermo plastischem Material 33 und Zusatzgranulat 34 Im Bereich 8, in dem aber vor allem wegen der Kürze dieses Bereichs das Zusatzgranulat 34 Keine wesentliche Abschmelzung erfährt, so dass es in dieser Form in den Bereich 9 eintritt, wo über den Zuführungskanal 14 der Verstärkungsstof22¯uge- führt wird. In diesem Bereich 9 existiert wieder ein geringerer Kerndurchmesser, so dass die hier vorhandenen Materialien zunächst ohne wesentlichen Druck transportiert werden, bis sie schliesslich in den längeren Bereich 10 mit grösserem Kerndurchmesser gelangen, wo dann wegen der gegebenen Länge und dem grösseren Kerndurchmesser eine intensive Durchmischung gegeben ist, wobei aber der Ver stärkungsstof@ 35 weitgehend geschont wird, da er nicht direkt mit dem hier noch in dieser Form vorhandenen Zusatzgranulat 34 zusammentrifft, da dieses bereits durch erschmolzenes thermoplastisches Materiav W eben ist, was in Bezug auf den Verstärkungsstoff/#5ine gewisse Schmierwirkung bedeutet. Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Schneckenextruder handelt es sich um einen Doppelschneckenextruder, von dem allerdings nur die eine Schnecke 17 sichtbar gezeichnet ist. Die Schnecke 17 ist in dem Gehäuse 22/23 gelagert, wobei der Gehäuseteil 22 mit geringerem Durchmesser als der Gehäuseteil 23 ausgebildet ist. Dementsprechend weisen die im Gehäuseteil 22 geführten Schneckenteile einen geringeren Aussendurchmesser auf, als die im Gehäuseteil 23 geführten Schneckenteile Uber den Einfüllkanal 24 wird dem Doppelschneckenextruder thermoplastisches Material 33 in Form von Granulat zugeführt, das ir Aurschmelzbereich 18 aufgeschmolzen wird. Innerhalb des Aufschmelzbereichs 18 sind die Knetelemente 25 und 26 vorgesehen, die das Aufschmelzen unterstützen. An den Bereich 18 schliessen sich die Bereiche 19, 20 und 21 an, die gegenüber dem Aufschmelzbereich 18 einen grösseren Schneckendurchmesser aufweisen. Gleichzeitig besitzt die Schnecke 17 im Aufschmelzbereich 18 eine grössere Gangzahl als in den Bereichen 19, 20 und 21, die hier den Mischbereich tl 92n. Hierdurch wird erreicht, dass im Mischbereich ein gegenüber dem AuEschmelzbereichser- grösserter freier Querschnitt gegeben ist, so dass sich im MischbereichVs#wonl das Zusatzgranula als auch der Ver stärkungsstoff#ne Gefahr eines Rückstaus beimischen lässt. Im Bereich 19 wird über den Zuführungskanal 27 das Zusatz granulat ssugeführt, das dann im Bereich 20 mittels der hier vorhandenen Knetelemente 28 dem aufgeschmolzenen thermoplastischen Material beigemengt wird. Anschliessend daran erfolgt über den Zuführungskanal 29 die Beimischung 35 von Verstärkungsstof#z.B. Glasfasern, die nun entlang des Bereichs 21 unter der Einwirkung des zunächst noch in dieser Form vorhandenen Zusatzgranulatsssem erschmol zenen thermoplastischen Material 33 beigemischt werden, wo- bei diese Beimischung durch die Knetelemente 30 und 31 intensiviert wird. In dem relativ langen Bereich 21 erfolgt dann das vollständige Aufschmelzen des Zusatzgra 34 nulats 34 und dabei das Einmischen des Verstärkungsstoffs35r der dabei schonend behandelt wird, da das Zusatzgranulat34 nie mit trockener Reibung auf den Verstärkungsstoff 35 treffen kann. Das auf diese Weise erzeugte, homogenisierte Material tritt dann am Ende des Bereichs 21 aus dem Doppelschneckenextruder aus. Bei dem Extruder gemäss Fig. 2 ist noch die Entgasungsöffnung 36 vorgesehen, die in bekannter Weise dafür sorgt, dass entstandene Gase frei abziehen können. In den Fig. 3 und 4 ist der bekannte Aufbau eines Doppelschneckenextruders in Querschnittszeichnung dargestellt. Dabei zeigt die Fig. 3 den Querschnitt gemäss der Linie A-A aus Fig. 2. Es liegen hier, wie ersichtlich,zwei dreigängige Schnecken 17 und 32 vor. Fig. 4 zeigt den Querschnitt längs der Linie B-B aus Fig. 2, aus der sich ergibt, dass hier die beiden Schnecken 17 und 32 zweigängig ausgebildet sind. Die beiden Schnekken 17 und 32 besitzen durchgehend gleichbleibenden Achsabstand a.

Claims: Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von mit Verstärkungsstoff zu füllendem thermoplastischen Material Patentansprüche 1. Verfahren zur Herstellung von mit Verstärkungsstoff zu füllendem, als Granulat zugeführtem thermoplastischem Material mit einem das Material aufschmelzenden Schneckenextruder, bei welchem im Mischbe reich des Extruders der Schmelze Zusatzgranulat und danach getrennt davon der Verstärkungsstoff zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgranulat rchzwischen den Zu führungsstellen (12,14) @@r das Zusatzgranulat (34) und den Verstärkungsstof#esehene Misch- und Knet- element (13,28) mit der Schmelze vermischt und dabei oberflächlich so weit abgeschmolzen wird, dass im Bereich der Zufuhrung des Verstärkungsstoffs (35) in der schmelze enthalen ist. das Zusatzgranulat noch in fester Form ohne wesentliche Abschmelzung in der Schmelze enthalten ist. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgranulat (34) @@ bis 60%, vorzugsweise 30 bis 50% der gesamten Granulatmenge ausmacht. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass als Verstärkungsstoff (35)Fasern, insbesondere Glas- oder Carbonfasern, verwendet werden. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstärkungsstoff (35) Glaskugeln verwendet werden. (35) 5. Schneckenextruder zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit mehreren längs der Extruderachse verteilten Zuführungskanälen, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuführungskanal (12,27) für das Zusatzgranulat (34) am Anfang des Mischbereichs (7,8,9,10;19,20,21) liegt und der Zuführungskanal (14,29) für den Verstärkungsstoff (35) so dicht nach dem Zuführungskanal (12,27) für das Zusatz granula/ )ngeordnet ist, dass das Zusatzgranu(#a4t#ohne wesentliche Abschmelzung in die Schmelze eingebettet ist, wobei zwischen den beiden Zuführungskanälen (12,27;14,29) die Schnecke (2;17,32) durch Misch- bzw. Knetelemente (13,28) unterbrochen ist. 6. Schneckenextruder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als Einschneckenextruder (2) ausgebildet ist. 7. Schneckenextruder nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er als Doppelschneckenextruder (17,32) ausgebildet ist. 8. Schneckenextruder nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in dem dem Mischbereich (19,20,21) vorhergehenden Aufschmelzbereich (18) der Schneckendurchmesser kleiner ist als im Mischbereich (19,20,21), wobei die Schnecken (17,32) im Aufschmelzbereich (18) eine grössere Gangzahl aufweisen als im Mischbereich (19,20,21).

Inventors: GLAWION, ERWIN, DIPL.-ING., STADE, KURT H., DIPL.-ING.
Applicants: AUTOMATIK APPARATE-MASCHINENBAU GMBH
Application year: 1984
Main classification: B29C47
IPC codes: B29K105, B29B7, B29C47