Modellierung des Molekulargewichtsverlustes in Einschneckenextrudern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Forschungsvorhabens in den ersten beiden Jahren war es, den Molekülmasseverlust für PP im realen Extrusionsprozess bei unterschiedlichen Schneckengeometrien und Betriebspunkten zu berechnen. In den Projektjahren 3 und 4 war vorgesehen, die Datenbasis um zwei Polymere zu erweitern. Mit einem selbstentworfenem Zylindersystem wurden belastete Materialproben (durch Variation von Temperatur, Scherung, Verweilzeit) der Kunststoffe Polystyrol und Polybutylenterephthalat erzeugt und analysiert. Bei PBT wurde der Abbau durch Hydrolyse untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss des Drucks auf den Materialabbau von PP experimentell untersucht und ausgewertet. Die Übertragbarkeit der Methodik von PP wurde für PS überprüft, indem belastete Materialproben mit dem Zylindersystem erzeugt und der Materialabbau der belasteten Proben durch die Messung der intrinsischen Viskosität charakterisiert wurden. Es wurden drei Schergeschwindigkeiten, vier Temperaturen und ein breiter Verweilzeitbereich variiert und auf Grundlage dieser Daten das 2 Schädigungsmodell von PP für PS parametrisiert. Mit einem Regressionskoeffizient von R = 0,89 wurde nachgewiesen, dass die Übertragbarkeit erfolgreich war. Der Materialabbau von PS während der Extrusion wurde für unterschiedliche Drehzahlen, Extruderdurchmesser und Schneckentypen untersucht. Der Materialabbau der extrusionsbelasteten Proben lag bei etwa 10 % gegenüber dem Rohmaterial und war unabhängig von der Schneckendrehzahl, Schneckengröße und -design. Die gewonnen Ergebnisse wurden genutzt, um die Berechnung des Materialabbaus für PS umzusetzen. Der Einfluss des Materialabbaus auf die Viskosität wurde überprüft, indem Materialproben bei unterschiedlichen Schneckendrehzahlen verarbeitet und hinsichtlich ihrer Viskosität untersucht wurden. Für Schneckendrehzahlen zwischen 100 bis 1200^-1 min bei einem 30 mm Extruder mit einer 40 l/D langen Barriereschnecke, verändert sich die Viskosität mit steigender Drehzahl nicht. Durch eine Modifikation des inneren Zylinders wurde die Zeit für das Aufschmelzen deutlich verringert, wodurch PBT mit dem Zylindersystem belastet werden konnte. Neben den Parametern Temperatur, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit wurde zusätzlich der Einfluss unterschiedlich hoher Materialfeuchtigkeit auf die Materialschädigung untersucht. Das Schädigungsmodell für PP wurde um 2 den Faktor Feuchtigkeit erweitert und für PBT erfolgreich parametrisiert (R^2 = 0,78). Der Einfluss der Temperatur und Verweilzeit hat sich in diesen Untersuchungen als dominant erwiesen, hingegen nimmt der Materialabbau mit steigender Materialfeuchtigkeit nicht weiter zu. Allerdings wurde die Feuchtigkeit relativ hoch variiert, zwischen 800 und 4000 ppm, wodurch ausreichend Wassermoleküle für die Hydrolyse vorhanden waren. Um den Feuchtigkeitseinfluss auf den Materialabbau zu beschreiben, sollte ein Bereich kleiner 100 ppm gewählt werden, welcher durch die verwendete Methodik allerdings nicht erreicht wurde. Bei der Auswertung der extrusionsbelasteten Proben wurde festgestellt, dass der Materialabbau bei der niedrigsten Drehzahl hoch ist, mit steigender Drehzahl abnimmt und ab einer bestimmten Drehzahl wieder zunimmt. Dieser Effekt wurde für alle drei PBT-Typen nachgewiesen. Begründet wird dieser Effekt, dass bei der niedrigsten Drehzahl die Verweilzeit am höchsten ist und ab der Drehzahl, bei welcher der Materialabbau ansteigt, die erhöhte Schergeschwindigkeit und Dissipation überwiegt und der Materialabbau wieder zunimmt. Die Untersuchung des Einflusses des Drucks auf den Materialabbau wurde auf einem 45 mm Extruder mit genuteter Einzugszone durchgeführt. Es wurden PP-Typen mit unterschiedlichen Fließeigenschaften verwendet und der Druck an der Schneckenspitze bei unterschiedlichen Drehzahlen variiert. Die entnommenen Materialproben wurden durch die GPC analysiert mit dem Ergebnis, dass ein Materialabbau eingesetzt hat, aber dieser durch einen ansteigenden Druck (zwischen 50 und 300 bar) zu keiner weiteren Zunahme der Materialschädigung führt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Comparison between the calculated and measured molecular weight loss in single screw extrusion. 29th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Nürnberg, 2013
Schöppner, V., Littek, S.
- Berechnung des Materialabbaus von Thermoplasten während des Plastifiziervorgangs. Polymertec 2014, Merseburg, 2014
Schöppner, V., Littek, S.
- Measurement and Calculation of the Material Degradation of Polystyrene and Modeling of the Degradation by using REX. 30th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS), Cleveland (USA), 2014
Schöppner, V., Littek, S.
- Berechnung des Materialabbaus von PP und PS in der Plastifiziereinheit: Teil 1 Belastung und Modellierung, Zeitschrift Kunststofftechnik, 06/2016
Littek, S., Schöppner, V., Döring, A., Kuckling, D.
- Berechnung des Materialabbaus von PP und PS in der Plastifiziereinheit: Teil 2 Modellierung und Verifikation am Einschneckenextruder, Zeitschrift Kunststofftechnik, 06/2016
Littek, S., Schöppner, V., Döring, A., Kuckling, D.
