用于在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机中调节压力的方法与装置

摘要

本发明涉及一种用于在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机中在输送热塑性塑料熔体的过程中调节排料区沿输送方向的前半部中的压力最小值的方法，其中单螺杆脱气挤出机或级联挤出机具有一第一螺杆级(13)、一脱气区(14)、一排料区(22)和一测量调节回路(M)，测量调节回路包括一在排料区的前半部中的测压传感器(P)、一调节器和一控制装置用以影响排料区中的压力，其中，压力借助于测压传感器(P)测定并经由调节器(R)和控制装置(S)调节成在测量位置处的最小值在0.1与10巴之间。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机中调节压力的方法和装置。

背景技术

如果在挤出过程中必须分离对于制造的挤出物的性能产生不利影响的挥发性组分，则通常使用单螺杆脱气挤出机来实现由热塑性塑料挤塑成成型体如板或薄膜。这样的挥发性组分可能例如是水、单体或低聚物。在单螺杆脱气挤出机中，以粒状存在的塑料在第一螺杆级首先被熔融、压缩和均化并导向第二螺杆级，其中第一螺杆级包括一供料区、一压缩区和第一均化区(以下称为进料区)。第二螺杆级包括一低切的(tiefgeschnittene)脱气区和一排料区，在其中熔体被脱气、压缩并输向一挤出喷嘴，然后熔体由挤出喷嘴以要求的形状排出。

另一实施形式是所谓级联挤出机。在这样的装置中相当于所述两个螺杆级的螺杆分成两个依次相连的、具有分开的驱动装置的单螺杆。两螺杆的转速通常保持固定的比值。

通常所述型式的挤出机设有一温控系统，其使挤出机可以经由筒体供热或排热，以便以要求的方式和方法调节螺杆区域内的温度。温度调节可以经由一载热流体来实现，其再借助于已知的加热/冷却器调节温度。常常地使用电加热与空气或水冷却的组合。现有技术中温度的调节经由筒体中的热电偶，其控制一调节器，后者又实现供热或排热。

为了使温度控制可以尽可能适合于过程的要求，将沿挤出机长度的温度调节分成较多数目的相互独立的可调节区域。

DE-C 27 58 265描述一种调节装置，用以在加工高压聚乙烯熔体的挤出机上控制脱气孔的水平。

DE-C 37 44 193描述一种方法，用以通过一宽广的粘度范围内以多个依次相连的脱气阶段使热塑性塑料熔体脱气。

Stehr，R.和Andersen，P.在ANTEC’92，第416-420页：“经由二级压力检测来控制齿轮泵辅助脱气的挤出机”中描述了一种包括一单螺杆脱气挤出机与连接的齿轮熔体泵。包括第一和第二螺杆级的单螺杆脱气挤出机具有一测量调节回路用以保持在排料区的末端的预定的压力，借此可以确保相应的挤出机区填满溶体，而没有熔体从脱气孔排出。在压力线图中对于排料区的前半部规定约30巴(bar)的高压(Pm)。在螺杆尖端的后面规定较低的压力(Ps)并具有在15与30巴之间的明显强的周期性波动。没有建议用来避免其熔体的部分填满的排料区前半部的压力调节。

总的问题：

在设计单螺杆脱气挤出机的螺杆几何形状或确定级联挤出机中螺杆转数的比值时的关键点是两螺杆级的输送性能的匹配。在这方面必须确保在任何挤出机的运行状况(塑料、生产能力和温度)下第二级可以排走比第一级供给的更多的熔体。

否则，熔体从脱气区排出，这通常导致过程的中断(停止设备以清理脱气区，再启动)。为了确保挤出机可以在宽广的运行范围内使用，通常这样校准两极的输送性能，即，第二级比第一级可明显更好地输送，从而，即使在临界的运行状况下也可以可靠地避免熔体从脱气区排出。这常常不仅取决于低切的脱气区，而且取决于只部分填满的排料区的或多或少长出的范围，亦即熔体只直接处在螺杆螺纹的推进齿面的前面。结果是，塑料可能沉积于未持久地填满熔体的区域内。特别是如果在挤出过程中在熔体输送中出现不规律性，则可能发生：熔体的部分量过长时间地留在挤出机内并在其中受到与螺杆的内表面接触的高温。在这种情况下，可能使部分的熔体较变为凝胶状的物质，或在更不利的条件下转变为碳状的沉积物。这些沉积在挤出过程中又部分地脱落并作为不符合要求的杂质落入熔体中。

所述问题不仅出现在运行的挤出过程中，其取决于第一螺杆级的输送性能的变动，而且特别出现于工况的强烈变化时，如其由于生产能力的或加工的塑料的变化引起的。

所述问题还导致：在更换加工的塑料，而两种塑料不相容时，费事的拆卸和螺杆的清理是必不可少的。否则即使在更换塑料后的较长时间内仍会出现由先前加工的塑料产生的杂质。

只有所述的碳状沉积物可以借助于通常的熔体过滤系统至少部分地去掉。利用相当的加工温度排除凝胶状的杂质或其他的塑料是不可能的。

特别对光学特性具有高要求的透明的产品，由于这些杂质将使其成为废品。

在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机与挤出喷嘴之间，通常设有一熔体泵用以保持输送量恒定，以及过滤装置用以从熔体中去掉杂质。

为了匹配挤出机与熔体泵的输送量，通常将挤出机尖端与熔体泵之间的压力作为调节量测定并且将挤出机螺杆转速用作为调节值对预定的调节值调节(参阅例如Konrad Kerres的博士论文，Augustinus Verlag(出版社)，Aachen(亚琛)，1995年)。通过这样的调节补偿挤出机输送性能中的变化，例如其取决于供料区中的温度或塑料性能中的变化(表观密度、供料性能)。

泵以后的压力是对于在熔体泵中熔体输送的均匀性的度量。挤出机和熔体泵的组合的目标是将泵以后的压力变化限定到小于+/-5％的值。如果在齿轮泵的前面的压力变化不大于+/-20％，则可以达到这个目标。在泵前面的压力的较强变化影响输送的均匀性并从而影响泵以后的压力。

通常在泵前面的压力变化借助所述的挤出机螺杆转速的调节来补偿。不过在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机包括基本上仅部分填满的第二排料区的情况下可能出现较高频率的压力变化，其不可能调节。压力随螺杆转速的频率而变化。这一方面干扰所述的在泵前面的压力调节而另一方面引起输送量的变化，其可以影响制成的挤出物的几何形状。

在熔体泵前面的压力的调节值通常由机器操作者这样输入，即，一方面使泵建立压力(这取决于大多数泵的设计原则，这些泵将输送的熔体用作为润滑剂)，而另一方面必须不超过一最大压力，这个压力是由挤出机与熔体泵之间的法兰上的许用锁闭力所产生的。

发明内容

在挤出半成品如热塑性塑料制的板或薄膜时和特别是采用透明的或半透明的热塑性塑料时避免熔体中产生杂质具有重要的意义，因为常常对挤出的半成品的满意的光学品质提出高的要求。杂质可以例如以颗粒产物的灰尘粒子的形式加入，但也可以与熔体加工的同时产生。

已知这些杂质借助于后接的熔体过滤器去掉，不过它很难去掉凝胶状的杂质或由其他塑料产生的杂质。如果许多杂质落入成品中，则其质量常常降低或甚至是根本不合要求的。特别在透明的薄膜的情况下，哪怕是很微小的损害也会导致易于看出的缺陷，其对高品质要求是不可接受的。原则上，更可取的是尽可能避免杂质，而不是待以后再将其排除。

本发明基于这样的研究，即，对于单螺杆脱气挤出机或级联挤出机，来源于熔体的沉积常常出现在排料区的前半部的区域内的前面的各螺杆螺旋线上。

假定，在挤出机运行过程中可以一再出现这样的运行状况，即，螺杆的未持久填满熔体的区域与熔体发生接触。熔体在这些区域内只很差地或不多地输送。熔体可能滞留并因而比在正常的运行状况中更长时间地受到高温作用。沉积的熔体可以转变为以上所述的凝胶状态或在还要更长的滞留时间内转变为碳状沉积。

然后又出现这样的运行状况，即，螺杆的较大区域受熔体润湿，于是凝胶状的或碳状的沉积至少部分地被带动并作为杂质落入产品中。

螺杆在排料区的范围内的部分填满可以通过压力关于时间的变化的检测来识别。在部分填满的螺杆的情况下在排料区的范围内压力关于时间的典型变化示于图1a中。人们可看到一锯齿形函数关系，包括一恒定的最小压力的相位。该最小压力相当于脱气区内的压力，亦即通常低于1巴的大气压。压力的有规律的升高是由在推进的螺杆齿面的和螺杆螺纹的前面的熔体引起的，其在压力传感器的下面通过。在螺杆螺纹的后面压力又降到最小值。因此压力随螺杆转速的产生和螺杆螺旋线的数目而变化。

作为本发明的目的，考虑：减少或尽可能避免所述的沉积。

该目的通过一种方法来达到，该方法用于在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机中在输送热塑性塑料熔体的过程中调节排料区沿输送方向的前半部中的压力最小值，其中单螺杆脱气挤出机或级联挤出机各具有一第一螺杆级(15)、一脱气区(14)、一排料区(22)和一测量调节回路(M)，所述测量调节回路包括一在排料区的前半部中的测压传感器(P)、一调节器(R)和一控制装置(S)用以影响排料区中的压力，其特征在于，压力借助于测压传感器(P)测定，并经由调节器(R)和控制装置(S)调节成在测量位置处的最小值在0.1与10巴之间。

附图说明

本发明通过以下诸附图加以说明：

图1a：在排料区的前半部的范围内无调节时压力关于时间(t)的变化的示意图；

图1b：在排料区的前半部的范围内利用本发明的调节时压力关于时间(t)的变化的示意图；    

图2a：在单螺杆脱气挤出机中本发明的一个可能的实施形式的示意图；

图2b：在单螺杆脱气挤出机中本发明的一个可能的实施形式的示意图，其包括一附加的测量调节回路(M2)。各标记如同图2a中的。第二测量调节回路(M2)包括测压传感器(19)、测量放大器(23)和调节器(7、24)。

附图标记清单：

1    排料区的前半部中的测压传动器

2    用于滤出最小压力的测量放大器

4    调节器(P₁：额定值)

5     调节器(PI调节器)

7     调节器(螺杆转速的实际值)

9     挤出机电机(驱动装置)

10    挤出机传动装置

11    螺杆筒体

12    料斗

13    第一螺杆部分(进料区)

14    脱气区

15    供料区

16    熔体泵

17    挤出喷嘴

18    P₅：熔体泵后面的测压传感器

19    P₄：熔体泵前面的测压传感器

20    P₃：节流器前面/螺杆后面的测压传感器

21    P₂：调节区中的测压传感器

22    第二螺杆部分(排料区)

具体实施方式

本发明涉及一种方法，用以在单螺杆脱气挤出机或级联挤出机中在输送热塑性塑料熔体的过程中调节排料区沿输送方向的前半部中的压力最小值。该单螺杆脱气挤出机或级联挤出机各具有一第一螺杆级(15)、一脱气区(14)、一相当于排料区(22)的第二螺杆级和一测量调节回路(M)，所述测量调节回路包括一在排料区(22)的前半部优选在前三分之一部特别优选在前四分之一部中的测压传感器(P)、一调节器(R)和一控制装置(S)用以影响排料区中的压力。压力借助于测压传感器(1)测定并经由调节器(R)和控制装置(S)调节成在测量位置处的最小值在0.1与10巴之间。

人们得到图1a中无调节时的压力曲线图和图1b中有调节时的压力曲线图。

单螺杆脱气挤出机或级联挤出机：

本发明的方法适用于单螺杆脱气挤出机或所谓级联挤出机，因为要解决的问题发生于该两系统中。单螺杆脱气挤出机具有一由电机驱动的包括具有第一螺杆级(15)的进料区、一排料区(22)和一中间的脱气区(14)。排料区(22)直接起始于脱气区(14)的后面并延伸到螺杆的末端或螺杆尖端。单螺杆脱气挤出机也可以用作为熔体挤出机，只要将其装填熔体而不是固体粒状物料。

级联挤出机可以视为单螺杆脱气挤出机的特别的或可选择的实施形式。在这种情况下两螺杆分成两个依次相连的具有分开的驱动装置的单螺杆。两螺杆的转速通常保持固定的比值，但可以分别加以调节。级联挤出机中排料区(22)相当于其第二螺杆或第二螺杆级的长度。

测量调节回路(M)：

测压传感器是测量调节回路(M)的构件，该测量调节回路(M)包括一在排料区的前半部的测压传感器(P)、一调节器(R)和控制装置(S)用以影响排粒区中的压力。优选设置一测量放大器(2)，其滤出压力的最小值并供调节使用。

优选地，螺杆驱动装置(9)配置一转速传感器，其位于驱动装置本身上或与驱动装置同步运转的轴上并且将转速信号纳入压力的最小值的调节中。按这种方式可以在调节技术上较简单地采集压力最小值信号。

压力借助于测压传感器(P)测定并经由测量调节回路(M)借助于用以影响压力的控制装置(S)调节成在测量位置处的压力在0.1与10巴(10⁴至10×10⁵帕)之间，优选在0.2与1巴之间(分别为绝对值)。压力上限为5巴是有意义的，因为借此避免熔体通过回流从排气孔中排出。

压力直到排料区的末端在从10至250巴的范围内升高，通常在20至50巴。排料区中的压力在螺杆尖端的后面始终高于排料区的前半部中的压力。

受调节的压力按照本发明总是大于脱气区中的压力并小于排料区的末端处的压力。

压力的额定值理想上调节成正好没有熔体从脱气孔中排出。因此其基本上取决于压力传感器与脱气孔的间距和在该区域的螺杆几何形状。

控制装置(S)

作为用来影响排料区中的压力的控制装置(S)可以采用例如用于调节螺杆转速的驱动装置(9)、一可调的节流器或一可节流的支路。业已发现：在螺杆直径＞45mm的较大型挤出机中借助于在排料区的范围内，特别是在排料区的后半部中的筒体温度可以影响排料区的前半部中的压力。在级联挤出机的情况下，用于调节沿输送方向接连的螺杆的转速的驱动装置或两螺杆彼此的螺杆转速的比值用作为控制装置(S)。

可节流的支路优选设置在排料区的后半部或最后三分之一部、特别是最后四分之一部与排料区的前半部、优选前三分之一部、特别优选前四分之一部中测压传感器(P)的区域之间。

图2a中示意示出按照本发明的单螺杆脱气挤出机的装置实例。该单螺杆脱气挤出机具有第一螺杆级(13)、一脱气区(14)和一排料区(22)。还示出用于供给塑料粒状物料的料斗(12)。测量调节回路(M＝M1)具有作为测压传感器(P)的测压传感器(1)、一测量放大器(2)、作为调节器(R)的调节器(4)、(5)和(7)以及作为控制装置(S)的驱动电机(9)。

附加的测量调节回路M2：

图2b的实施形式是特别优选的，其中设有第二测量调节回路(M2)，其包括一位于排料区中螺杆尖端的后面的测压传感器(19)、测量放大器(23)、调节器(24)和(7)以及一控制装置(9)。由测压传感器(19)测定的压力经由调节器(7)和控制装置(9)调节成限定在测量位置处的压力的最大值。其优点是，特别是可以避免在起动阶段受材料负荷的压力峰值。

优选的实施形式：

在包括一齿轮熔体泵(16)的单螺杆脱气挤出机中，其中齿轮熔体泵(16)位于螺杆尖端或排料区(22)的后面，通过在压力过低时提高驱动电机(9)的转速而可以实现在排料区的前半部中压力最小值的调节。

在包括一可调的节流器的单螺杆脱气挤出机中，其中该节流器位于螺杆尖端或排料区(22)的后面，通过在压力过低时关闭节流器而可以实现排料区(22)前半部中的压力最小值的调节。

在包括一可节流的支路的单螺杆脱气挤出机中，其中在该可节流的支路打开的状态下熔体从排料区(22)后面，即，螺杆尖端后面的腔室输回排料区(22)的前半部，通过在压力过低时打开支路而可以实现排料区前半部中的压力最小值的调节。

在包括可分开调节的排料区的筒体温度的单螺杆脱气挤出机中，通过在压力过低时提高排料区的筒体温度而可以实现排料区前半部中的压力最小值的调节。

在级联挤出机的情况下，通过在压力过低时降低排料区中蜗杆部件的驱动电机的转速而可以实现排料区(22)前半部中的压力最小值的调节。

热塑性塑料：

本发明的问题实际上涉及全部利用单螺杆脱气挤出机或级联挤出机加工的热塑性塑料。特别是本方法适用于热塑性塑料如丙烯腈/丁二烯/苯乙烯三元共聚物(ABS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚酰胺、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、冲击韧性改良的聚甲基丙烯酸甲酯或其他由两种或多个热塑性塑料组成的混合物(共混料)。由于沉积引起的杂质问题特别是对于透明的塑料，如聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯塑料，影响尤为突出。

装置：

本发明还涉及一种装置，即一单螺杆脱气挤出机或级联挤出机并设有一测量调节回路(M)用以实施本发明的方法。

本发明的有利的效果：

按照本发明的压力调节确保在排料区的前半部中的各螺杆螺旋线即使在不利的运行状况下也被熔体完全填满。因此显著减少或防止所述杂质的产生。可以节省地设置过滤装置。可以提高挤出速度。可以延长过滤器更换周期。改善产品质量。提高产量。相应地减少废品。

其他的优点得自更换挤出的成型物料时，特别是更换不同染色的成型物料时，前一次挤出的成型物料必须首先用新的待挤出的成型物料完全排出或差不多冲掉。按照本发明的方法或利用按照本发明的装置由于更好的螺杆的填满而可以更快地通过新的成型物料排出前一次挤出的成型物料的残留物。

本发明还涉及可以实施本发明方法的装置。该装置用于输送一种热塑性塑料的熔体，并因此包括一单螺杆脱气挤出机或级联挤出机，其具有第一螺杆级(15)、脱气区(14)、排料区(22)、一在排料区前半部中的测压传感器(1)-其为一测量调节回路的构件-以及用于影响排料区中的压力的装置(16)。

实例：

按图2a，可实现一试验装置：采用了制造厂商Stork公司的单螺杆脱气挤出机，D＝35mm，L＝32D，包括公司Maag Pump Systems Extrex Ex 28的齿轮熔体泵。测量调节回路(M)包括作为测压传感器(1)的Gneuβ公司的DMS压力传感器(0-200巴)、一用于滤出最小压力值的测量放大器和一调节器-其调节作为控制装置的挤出机驱动电机的转速。在用聚甲基丙烯酸甲酯作为热塑性塑料的挤出运行过程中，排料区的前半部中的压力保持在0.5至6巴之间。

借此，在从透明到深蓝色成型物料的颜色更换试验中，与在排料区开始处没有按照本发明的压力调节的试验装置相比，转换时间缩短到约一半(只有5分钟而不是10分钟)。