Inline-Charakterisierung der Schaumpartikel-Herstellung im Extrusionsprozess

• Fachliche Zuordnung: Produktionstechnik
• Förderung: Förderung von 2022 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512399892

Anders als die etablierten Vertreter expandierbares Polystyrol (EPS) und expandiertes Polypropylen (EPP) werden die meisten neuartigen Partikelschäume nicht in Suspensions- bzw. Autoklavverfahren hergestellt, sondern kontinuierlich mittels an die Schaumextrusion gekoppelte Unterwassergranulierung. Das erleichtert das Einbringen von Additiven. Besonders die chemische Modifikation (beispw. KV = Kettenverlängerer) wird in Forschung und Industrie genutzt, um die für das Schäumen oft zu geringe Schmelzefestigkeit technischer Thermoplaste zu erhöhen und so die Expansion zu optimieren. Neben der Flexibiltät wird durch die vielen Parameter auch die Komplexität gesteigert. Ferner kommt es während der Schmelzeverarbeitung, durch den KV zu reaktiven Prozessen und damit stetig zu signifikanten Materialeigenschaftsänderungen. Ähnlich komplex gestaltet sich die Steuerung bestimmter Endeigenschaften der Schaumpartikel, wenn umfangreiche Rezepturen oder thermisch sensitive Materialien verarbeitet werden. Zwar werden bereits viele Daten der Anlage und der Peripherie zur Überwachung erfasst; eine permanente, systematische Aufzeichnung und Auswertung erfolgen jedoch nicht. Des Weiteren werden bestimmte Größen, die für eine wissenschaftliche Bewertung des Prozesses nötig sind, teilweise gar nicht oder erst in der nachfolgenden Analytik erfasst (u.a. Schmelze-Viskosität, Größenverteilung der Schaumpartikel). Sowohl Quantität als auch Qualität ließen sich mit entsprechender Inline-Analytik steigern. Die Erweiterung ist nötig, um (i) alle wissenschaftlich- und technisch relevanten Daten in Echtzeit zu erfassen und (ii) diese Daten – mit geeigneten digitalen Methoden – bereits im Betrieb aufzuarbeiten und auszuwerten. Dazu zählen insbesondere auch die Eigenschaften der Endprodukte. Idealerweise können so bisher unerkannte Zusammenhänge von Prozess- und Materialparametern erkannt werden (u.a. Korrelation von Reaktivität, Rheologie und Expansion). Außerdem soll eine Datengrundlage geschaffen werden, die durch Anwendung von Active Learning bzw. Machine Learning eine Selbstoptimierung der Anlage erlaubt. Durch Modellbildung sind weitere Impulse für Verständnis und Prognosen des Verhaltens unbekannter Materialien zu erwarten. Die Qualität der Analytik wird zusätzlich verbessert, wie an der inline-Rheologie deutlich wird: hier werden prozessrelevante (höhere) Scherraten als bei der offline-Messung (Platte- Platte) genutzt und das wiederholte Aufschmelzen bei Präparation und Messung entfällt, was speziell bei chemisch modifizierten und thermisch sensitiven Proben Einfluss hat. Das Anlagenkonzept enthält nur Komponenten, die einen digitalen Austausch erlauben und bisher fehlende Messgrößen erfassen und speichern. So können Materialveränderungen anhand von Drücken, Fließverhalten und Partikelgrößen(verteilung) verfolgt und Prozesseinflüsse erkannt werden. Dazu sind u.a. ein inline-Rheometer, zusätzliche Drucksensoren, ein Partikelanalysator und passende digitale Peripherie nötig

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Inline-Charakterisierung der Schaumpartikel-Herstellung im Extrusionsprozess
• Gerätegruppe: 2200 Kunststoffextruder und -blasmaschinen
• Antragstellende Institution: Universität Bayreuth
• Leiter: Professor Dr.-Ing. Holger Ruckdäschel