Analyse und Modellierung der Glasfaserlängenverteilung bei der Aufbereitung mit gleichläufigen Doppelschneckenextrudern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Seit Anfang der 80er Jahre finden glasfaserverstärkte Polymere, die bereits Ende der 60er Jahre in den USA entwickelt wurden, auch in Europa vielfache Verwendung. Auch heute kommen noch immer neue Anwendungsgebiete hinzu, so dass die Nachfrage nach verstärkten Kunststoffen auch in den nächsten Jahren weiter zunehmen wird. Die Einarbeitung der Glasfasern in die polymere Matrix geschieht im Allgemeinen auf Gleichdrall-Doppelschneckenextrudern. In diesem Einarbeitungsschritt ist ein großes lF/dF-Verhältnis (Faserlänge zu Faserdurchmesser) im Compound erwünscht, wobei die Fasern homogen verteilt seien sollten. Dies gelingt aufgrund der hervorragenden Mischeigenschaften dieser Maschine. Obwohl der eigentliche Prozess der Glasfasereinarbeitung bekannt ist, sind bisher nur relativ wenige systematische Untersuchungen des Einarbeitungsvorgangs und keine physikalisch-mathematischen Modelle veröffentlicht worden. Das Ziel des Projektes war es deshalb den Prozess der Einarbeitung von Glasfasern in Polypropylen zu beschreiben. Dabei wurde der Fokus auf den Abbau der mittleren Glasfaserlänge und der Änderung der Glasfaserlängenverteilung entlang der Schecke gesetzt. Untersucht wurden der Einsatz von Haftvermittlern und verschiedenen Schlichten, die Schneckengeometrie, die Zugabeposition und weitere Einflussgrößen wie Durchsatz und Extruderdrehzahl um letztendlich ein mathematischphysikalisches Modell zu entwickeln, dass die Änderung der mittleren Glasfaserlänge und der Glasfaserlängenverteilung beschreibt. Hierzu wurde mit Hilfe von Überlegungen aus der Mechanik (Eulersches Knicken) und Beschreibungen für das Strömungsverhalten in Doppelschneckenextrudern ein Modell aufgestellt, welches den Verlauf der mittleren Faserlänge entlang der Verfahrenseinheit beschreibt. Hierbei ist anzumerken, dass eine Dominanz von Faser-Faser-Wechselwirkungen vorherrscht. Dieser Effekt wurde innerhalb des Modells durch einen Regressionsterm berücksichtigt. Bei der darauf aufbauenden Modellierung der Glasfaserlängenverteilung wurde sowohl die Bruchmechanik der Glasfaser, als auch die Tatsache, dass die längeren Glasfasern mit einer höheren Wahrscheinlichkeit brechen als kürzere, herangezogen. Die Dynamik dieser Glasfaserlängenverteilungsbeschreibung wird durch den Verlauf der mittleren Glasfaserlänge gesteuert. Der Vergleich zwischen modellierter und experimentell ermittelter Faserlängenverteilung zeigte gute Übereinstimmung speziell im Vergleich mit den Endverteilungen. Durch die Modellierung der Glasfaserlänge als auch Glasfaserlängenverteilung ist somit ein Instrument zur Vorhersage der Compoundqualität für kurzglasfaserverstärktes Polypropylen geschaffen worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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„Modellierung der Glasfaserabnahme bei der Compoundierung“, VDI-Fachtagung „Aufbereitungstechnik“, Baden-Baden, November 2009
Potente, H.; Schöppner, V.; Kloke, P.; Bastian, M.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.
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„Reduzierung der Glasfaserlänge beim Compoundieren“, 5. Würzburger Compoundiertage, 2009, Würzburg
Kretschmer, K.; Rudloff, J.
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„Modelling the Fibre-degradation During Compounding of Short Fibre Reinforced Composites Based on Glass Fibres and Polypropylene”, 26th Annual Meeting of the Polymer Processing Society (PPS) 2010, Banff, Canada
Potente, H.; Schöppner, V.; Kloke, P.; Bastian, M.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.
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„Analyse und Modellierung der Faserlängenreduzierung beim Compoundieren“, 22. Technomer Tagung, 2011, Chemnitz
Bastian, M.; Heidemeyer, P.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.; Schöppner, V.; Kloke, P.
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„Faserschonend compoundieren“, Kunststoffe Ausgabe 02/2011, Carl Hanser Verlag, München, Februar 2011
Potente, H.; Schöppner, V.; Kloke, P.; Bastian, M.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.
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„Analyse und Modellierung der Glasfasereinarbeitung mittels Gleichdrall-Doppelschneckenextrudern“, 1. AVK Tagung Kurzfaserverstärkte Thermoplaste, 2012, Frankfurt
Bastian, M.; Heidemeyer, P.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.; Schöppner, V.; Kloke, P.
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„Analyse und Simulation der Glasfaserlängenverteilung bei der Aufbereitung mittels Gleichdrall-Doppelschneckenextrudern“, 2. AVK Tagung Kurzfaserverstärkte Thermoplaste, 2013, Frankfurt
Bastian, M.; Heidemeyer, P.; Kretschmer, K.; Rudloff, J.; Schöppner, V.; Kloke, P.
