Hochgeschwindigkeitsextrusion amorpher Polymere am Beispiel von Polycarbonat (PC) und Polymethylmethacrylat (PMMA)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die High-Speed-Extrusion beschreibt in Bezug auf den Einschneckenextruder das Vorgehen, mit einer höheren Drehzahl mehr Durchsatz zu erzeugen. Interessant ist dieses Konzept insbesondere ab Umfangsgeschwindigkeiten von etwa 2 m/s, da so die Durchsatzleistung einer größeren Maschine erreicht wird. Dies hat u.a. energetische, wartungstechnische sowie raumkonzeptionelle Vorteile. Aufgrund der Verarbeitungseigenschaften von Thermoplasten ist eine einfache Anhebung der Drehzahl in den meisten Fällen nicht ohne Komplikationen möglich. Wichtige Kriterien wie die Schmelzetemperatur am Austritt oder auch das Aufschmelzverhalten werden direkt dadurch beeinflusst. In vorausgegangen Untersuchungen wurden bereits unterschiedliche teilkristalline Polymere hinsichtlich dieses Verhaltens erforscht. Daher wurde in diesem Forschungsvorhaben der Fokus auf amorphe Polymere für den Einsatz in optischen Applikationen gesetzt. Hinsichtlich der Viskosität unterscheiden sich die zwei analysierten Typen essentiell. Das Polycarbonat hat ein annähernd newtonisches Fließverhalten und das Polymethylmethacrylat ist stark strukturviskos. Auf einem 30 mm Glattrohrextruder mit Direktantrieb sowie Entgasungspumpe wurden mit einer klassischen Entgasungsschnecke ohne Mischteile (Schnecke 1) zahlreiche Betriebspunkte untersucht. Der Durchsatz soll bei diesen Versuchen im Idealfall bei 180 kg/h liegen. Bei 1000 min^-1 wurde dieser mit den PC erreicht, dabei traten aber sehr hohe Massetemperaturen von annähernd 360 °C auf. Dadurch ist eine Weiterverarbeitung zu z.B. Folie nur unter Einsatz von extremer Kühlleistung möglich, was das Konzept sehr unrentabel macht. Zudem wurde ein Materialabbau festgestellt. Durch den hohen disspativen Wärmeeintrag kam es aber zu keinerlei Aufschmelzproblemen. Durch ein speziell entwickeltes PC-Blend wurde die Massetemperatur bei 1000 min^-1 (182 kg/h) auf 316 °C gesenkt, sodass die spezifizierte Verarbeitungstemperatur von 320 °C nicht überschritten wurde. Die entwickelte Mischung hat die gleiche Nullviskosität wie das Ausgangsmaterial (Sabic Lexan 103R) und eine stärkere Ausprägung der Strukturviskosität. Die Verarbeitung des PMMAs führte zu einer deutlichen anderen Erkenntnis. Hier traten starke Pulsationen aufgrund von einem hohen Feststoffanteil in der austretenden Schmelze auf. Der gesetzt Zieldurchsatz wurde erreicht, jedoch war die Schmelzequalität nicht ausreichend. Um diese Herausforderung zu bewältigen, wurde ein neues Schneckenkonzept mit einem deutlich aggressiveren zylindrischen Scherspalt vor der Entgasungszone und einem Rautenmischteil an der Schneckenspitze (Schnecke 2) entwickelt. Diese höhere Aufschmelzleistung führte dazu, dass bei 1000 min-1 der Zieldurchsatz (min. 130 kg/h) bei unter 1% Feststoffanteil erreicht werden konnte. Im Anschluss wurde der Zylinder im Bereich des Einzugs durch eine Nachbearbeitung explizit angeraut. Mit diesem leicht veränderten Aufbau wurde dann die Drehzahl von 1400 min-1 erneut untersucht. Der Durchsatz konnte so auf 185 kg/h gesteigert werden, jedoch stieg die Massetemperatur auf 290 °C an. Dadurch konnte gezeigt werden, dass die Zylinderrauheit zudem einen Einfluss auf die Verarbeitung bei hohen Drehzahlen hat. Auffällig war das sensible Verhalten der Entgasungszone bei einer Variation der Einstellungen der anliegenden Zylinderheizungen für alle Versuchspunkte. Die Flutung des Entgasungsdoms ist bei einem normalen Temperaturprofil mit kälteren Einzug und zur Spitzen hin ansteigend regelmäßig aufgetreten. Mit einem Hügelprofil, dass bedeutet die maximale Temperatur des Profils liegt im Bereich des Scherrings sowie der Entgasungszone an, konnte diese Problematik beseitig werden. Aus diesen Erkenntnissen lässt sich eine Empfehlung für die Verarbeitung von amorphen Polymeren mit hohen Drehzahl ableiten. Es ist entscheidend was für eine Viskosität das Material hat. Eine starke Ausprägung der Strukturviskosität erfordert hohe Aufschmelzleistungen und eine Erhöhung der Verweilzeit ist notwendig, um den Feststoff komplett in Schmelze umzuwandeln. Zudem ist bei den Untersuchungen aufgefallen, dass die Vakuumleistung der Entgasungspumpe nicht dem Standard für die Anlagengröße entspricht. Hier sollte eine größere Dimensionierung gewählt werden. Ein weiter Ansatz ist die Rauheit der Einzugszylinder entsprechende anzuheben. Hingegen sollte bei annähernd newtonischem Material die Belastung der Schmelze minimiert werden. Der dissipative Wärmeeintrag führt hier zur massiven Überhitzung der Schmelze. Die bewusste Beeinflussung der Materialeigenschaften durch die Erstellung einer Mischung zeigte einen positiven Effekt. Hierfür ist aber eine exakte Analyse der auftrennenden Schergeschwindigkeiten der vorliegenden Schneckengeometrie notwendig.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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First insight into the High Speed Extrusion of Polycarbonate, Tagungsband zur 32. PPS-Konferenz, Lyon, 2016
Pohl, Max; Schöppner, Volker
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High Speed Extrusion of Modified Polycarbonate, Tagungsband zur 33. PPS- Konferenz, Mexiko, 2017
Pohl, Max; Schöppner, Volker
