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Compoundierung Kunststoffe plastifizieren: Blick in die Aufschmelzzone

| Redakteur: Beate Christmann

Welche Mechanismen und Energieeinträge beim Aufschmelzen von Kunststoffen in Doppelschneckenextrudern zum Compoundieren, also der Produktion von Verbundwerkstoffen, wirken, war bisher unbekannt. Fraunhofer-Forscher haben ein Messwerkzeug entwickelt, das einen Einblick in diese Prozesse liefern und damit deren Optimierung ermöglichen soll.

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Neue Messtechniken des Fraunhofer-LBF geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken.
Neue Messtechniken des Fraunhofer-LBF geben einen Einblick, welche Mechanismen beim Anschmelzen und dem damit verbundenen Energieeintrag in die Schmelzzone von Doppelschneckenextrudern wirken.
(Bild: Fraunhofer-LBF)

Bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen hat sich das mehrstufige Verfahren des Compoundierens in Doppelschneckenextrudern etabliert. Kunststoff und Additiv werden während einer Schmelzphase miteinander vermischt. Für die Industrie kommt dem Prozess des initialen Aufschmelzens dabei eine große Bedeutung zu: Bis zu 80 % der gesamten Energie werden in der Plastifizierzone und hier speziell in der ersten Knetblockstufe eingebracht. Ein optimierter beziehungsweise minimierter Energieeintrag hätte ein vielversprechendes Potenzial, die Wirtschaftlichkeit sowie die Materialeigenschaften durch eine schonendere Verarbeitung zu verbessern.

Die Frage jedoch, welche Mechanismen und vor allem Energieeinträge genau in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder wirken, blieb bisher unbeantwortet. Wissenschaftlern aus dem Leistungsfeld Polymertechnik des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF soll es nun gelungen sein, einen Einblick in diese Prozesse zu gewinnen. Sie haben nach eigenen Angaben ein Werkzeug entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Querschnitt der Plastifizierzone visualisieren lassen soll.

Hochgeschwindigkeitskamera liefert neue Erkenntnisse

Herzstück der neuen Technik ist eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer Auflösung von 2000 Einzelbildern pro Sekunde. Damit konnte laut Aussage der Forscher erstmalig die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten dargestellt, dokumentiert und bewertet werden. Die Aufnahmen wurden mit einer hochauflösenden Drehmomentenmessung kombiniert. Auf diese Weise soll sich der mechanische Energieeintrag ortsaufgelöst jedem visualisierten Zustand zuordnen und die theoretische Temperaturerhöhung berechnen lassen können.

Die LBF-Wissenschaftler haben die plastische Deformation eines Polypropylengranulates beobachtet und dokumentiert. Es habe sich gezeigt, dass das Granulat durch eine massive plastische Deformation zum Fließen gebracht wurde und lokal initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifizierte.

Zunächst wurde das Granulat zwischen der aktiven Flanke und der Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgte die Deformation: Das Granulat sei verdichtet und in das freie Volumen gepresst worden. Daraufhin sei in dieses vorkompaktierte Volumen massiv Energie durch weitere plastische Deformation eingebracht worden. Diese Vorgänge dauerten bei einer Schneckendrehzahl von 1200 min-1 nur rund 5 ms. Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich komme es zudem zu einer Kompression vor der aktiven Flanke.

Geometrische Aspekte entscheidend für Aufschmelzprozess

Die LBF-Wissenschaftler sind zu der Erkenntnis gelangt, dass neben den Materialeigenschaften vor allem geometrische Aspekte, wie beispielsweise die Granulatgröße und -form sowie das freie Volumen im Knetblockbereich, einen wesentlichen Einfluss auf das Aufschmelzen hätten.

Neben der Quantifizierung der unterschiedlichen Mechanismen liegt die Herausforderung für das Fraunhofer-LBF nun in der Abbildung eines für den Anwender praktikablen Modells. In dieser Frage arbeitet das Institut eng mit der Kunststofftechnik Paderborn (KTP) zusammen.

Die Erkenntnisse der Kooperation sollen der Compoundierindustrie in Zukunft eine sehr material- und prozessspezifische Gestaltung der Schmelzzone ermöglichen: Unter anderem soll es bei gleicher Prozesssicherheit möglich sein, den Energieeintrag in das Polymer auf das notwendige Minimum zu reduzieren und den gesamten Vorgang damit profitabler zu gestalten. Das Polymer würde thermisch und mechanisch weniger beschädigt, was wiederum die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit des Produktes verbessern und die Emissionen, die durch die Verarbeitung entstehen, reduzieren soll.

* Weitere Informationen: Alexander Knieper, Fraunhofer-Institut für für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF, Tel. (0 61 51) 7 05 87 41, alexander.knieper@lbf.fraunhofer.de

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