Auswahl des besten Extrusionsverfahrens für Bast und gewebte Verpackungen

Volker Schöppner | Jul 28, 2017

In den letzten Jahren gab es im Bast- und gewebten Verpackungssektor viele wichtige Entwicklungen, darunter Fortschritte bei Harzen, verbesserte Kapazitäten von Extrusionslinien und Verbesserungen der Prozessgeschwindigkeit. Allerdings bleiben Rohstoff- und Energiekosten weiterhin Anlass zur Sorge. Der Einsatz von mineralischen Füllstoffen, wie beispielsweise einem Calciumcarbonat-Masterbatch (CCMB), kann die Produktivität verbessern und die Kosten senken.

Ein großes Dilemma für Verarbeiter ist die Wahl der geeigneten Ausrüstung – entweder eines Extruders mit glatter oder gerillter Buchse –, wenn ein hoher CCMB-Anteil verwendet wird. Ein wichtiger Faktor bei der Auswahl eines Extruders ist das Verständnis der Wirkung der Zugabe des Füllstoffs/CCMB zu einer Polymermatrix, die die Verarbeitungseigenschaften erheblich verändert.

Bevor die Auswirkung der CCMB-Dosierungsniveaus bei der Verwendung von Extrudern mit glatten und gerillten Buchsen erörtert wird, ist es wichtig, einige Begriffe zu definieren:

Die Zugabe von CCMB beeinflusst auch die Dichte und Viskosität der resultierenden Polymermatrix.

Zusammenfassend beeinflusst die Zugabe von CCMB zum Polymer die Wärmeleitfähigkeit, die spezifische Wärme, die Dichte und die Viskosität der resultierenden Polymermatrix.

Die resultierende Polymermatrix aus Polyolefin und CCMB weist eine verringerte Viskosität auf, da die erhöhte innere Reibung der CaCO3-Partikel in der Polymermatrix die Scherung erhöht und die Schmelzviskosität verringert. Viskositätsänderungen erhöhen die Scherspannung im Extruder, die die Hauptgrundlage für die Umwandlung von mechanischer in thermische Energie in einem Einschneckenextruder ist. CaCO3 in PP beschleunigt die Wärmeübertragung und reduziert den Energiebedarf zum Aufheizen oder Abkühlen der Mischung. Daher breitet sich die Wärme in einer Polymermatrix mit einem höheren CCMB-Anteil schneller aus.

Zusammenfassend ein höherer Füllstoff/CCMB in der Polymermatrix:

Einschneckenextruder fördern Polymerpellets durch Reibung. Aufgrund seines Kontakts mit den Pellets zieht der Zylinder das Material über die Schnecke gegen die Spirale und fördert so die Pellets. In einem Extruder, der mit einer glatten Buchse ausgestattet ist, wirken Pellets wie Kugellager: Da der Kontakt zwischen Zylinder und Pelletoberfläche minimal ist, kommt es zu einem erheblichen Schlupf, der dazu führt, dass die Pellets taumeln und gleiten. Da das Kompressionsverhältnis hauptsächlich für den Transport der Pellets verantwortlich ist, muss es auf einem höheren Niveau gehalten werden. Die Pellets folgen einer spiralförmigen Bahn im Feststoffförderbereich der glatten Buchsenschnecke und werden entlang einer Spirale der Schnecke geschoben, wobei sie einen langsamen, gewundenen Weg nehmen.

Darüber hinaus herrscht in der Feststoffförderzone eines Glattbuchsenextruders ein sehr niedriger Druck. Typischerweise steigt der Druck im Schmelzabschnitt der Schnecke an und erreicht am Ende des Übergangs seinen höchsten Punkt. Daher ist der Druckaufbau bei Glattbuchsextrudern begrenzt.

Es ist bekannt, dass eine Erhöhung der Schneckengeschwindigkeit bei Verwendung eines glatten Buchsenzylinders tendenziell zu einer Erhöhung der Schmelzetemperatur führt. Der Kompressionsabschnitt der Schnecke ist maßgeblich für die Erhöhung der Schmelzetemperatur verantwortlich. Angesichts der geringen spezifischen Leistung der Glattbuchsenmaschine wird die Schmelzetemperatur bei Verwendung hoher Schneckengeschwindigkeiten zu einer Einschränkung.

Bei einer Rillenbuchse werden mehrere Rillen in die Bohrung des Zylinders unter dem Trichter und in die Feststoffförderzone eingebracht. Die Pellets bleiben in den Rillen hängen und bewegen sich gegen die Spirale der Schnecke. Dadurch wird der Transport der Pellets deutlich erhöht, da diese durch den Druck der Schneckenwendel in den Rillen nach vorne gelangen. Selbst bei typischerweise niedrigen Verdichtungsverhältnissen erreicht ein Nutenbuchsenextruder im Vergleich zu einem Glattbuchsenextruder eine höhere spezifische Schmelzeförderung.

Darüber hinaus erzeugt der gerillte Einzugsbereich aufgrund der Erhöhung der Förderleistung einen hohen Pumpdruck. Bei einem Nutbuchsenextruder ist die Druckerzeugung also nicht mehr von der Dosierstrecke der Schnecke abhängig. Der gerillte Abschnitt erzeugt außerdem eine große Menge reibungsbasierter Wärme/Energie zum Schmelzen, was zu einer intensiven Wasserkühlung und Ableitung überschüssiger Wärme führt. Diese hohe spezifische Leistung bezogen auf die Schneckendrehzahl trägt dazu bei, eine niedrige Schmelzetemperatur zu erreichen. Folglich führen unterschiedliche Prozentsätze von Calcium-Füllstoff-Masterbatches in verschiedenen Basispolymeren [PE oder PP oder ein anderes Elastomer-Trägerharz] in PP- oder HDPE-Mischungen für die Extrusion zu einer besseren Prozesskonsistenz und Qualität der ausgegebenen Schmelze bei Verwendung einer gerillten Zufuhrbuchse.

Bei der Verarbeitung des hochgefüllten/CCMB-Materials reiben sich CaCO3 und andere Zusatzstoffe/Pigmente mit der Zeit an der Schraube ab und sammeln sich wie Kreide auf einer Tafel an. Da in einer glatten Buchse der Druck im Anfangsabschnitt sehr gering ist, ist es schwierig, den angesammelten Füllstoffanteil und die Rückstände abzukratzen, ähnlich wie wenn man vorsichtig Kreide von einer Tafel wischt. Dies kann zu Maschinenstillständen führen. Bei einer gerillten Buchse kann der hohe Anfangsdruckaufbau den angesammelten CaCO3-Gehalt und die Rückstände abstreifen, was zu einem stabileren Prozess führt.

Designherausforderungen bei der Konstruktion von Nutbuchsenextrudern

Die größte Herausforderung besteht darin, den Verschleiß der Nuten und Schnecken im Pelletförderbereich zu minimieren. Die Schneckenkonstruktion bietet eine Lösung: Ein speziell gestalteter Einzugsbereich kann den Druck senken und den Verschleiß verringern, da der abrasive Verschleiß proportional zum Druck ist, der auf die Oberfläche wirkt.

Eine zweite Herausforderung besteht darin, eine geeignete Schmelzequalität zu erreichen, was eine gute Verteilung des CaCO3 in der Schmelze erfordert. Auch hier ist die Schneckengeometrie wichtig. Moderne Schnecken für Rillenbüchsenmaschinen mit hoher Leistung sind Barriereschnecken für eine gute Aufschmelzung – sie sind mit Mischabschnitten für eine verbesserte Temperaturhomogenität ausgestattet.

Abschluss

Glattbuchsextruder haben Einschränkungen beim Druckaufbau und eine höhere Schmelzetemperatur bei hohen Ausstoßraten. Nutbuchsextruder haben deutliche Vorteile im Hinblick auf eine höhere Druckerzeugung und niedrigere Schmelzetemperaturen. Größere Prozessfähigkeiten ermöglichen die Bewältigung von Änderungen der Materialeigenschaften, wie z. B. erhöhter Wärmeleitfähigkeit und Schwankungen der Viskosität durch Zugabe von Füllstoff-Masterbatch mit höherem CaCO3-Gehalt zu Polyolefinmaterialien. Moderne Rillenbuchsenmaschinen verwenden speziell entwickelte Schnecken, um den Druck im Einzugsbereich zu senken und den Verschleiß zu reduzieren.

Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner, Kunststofftechnik Paderborn, Fakultät für Maschinenbau, Universität Paderborn. Schöppner erhielt seinen Ingenieurabschluss an der Universität Paderborn in Deutschland. Nach mehreren Stationen in der Industrie kehrte er 2007 an die Universität zurück und ist dort Professor für Polymerverarbeitung. Er beschäftigt sich mit der Extrusion, mit besonderem Schwerpunkt auf der Extrusionssimulation. Er ist per E-Mail unter [email protected] erreichbar.

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