HetGroMelt: Aufschmelzen heterogener Polymere in langgenuteten ES-Extrudern

Einschneckenextruder sind die am häufigsten verwendeten Maschinen in der Kunststoffverarbeitung und müssen die Kunststoffe fördern, aufschmelzen und homogenisieren. Da die Aufschmelzleistung meist der Faktor ist, der den Ausstoß und damit die Leistungsfähigkeit limitiert, wurden in den letzten Jahren vermehrt Maschinenkonzepte entwickelt, bei denen die Zylinder in der Aufschmelzzone mit Nutenversehensind. Durchdiese Nuten stellt sich einvölligunterschiedlicher Aufschmelzmechanismus ein, der auch bei der Verarbeitung heterogener Kunststoffe in konventionellen Einschneckenextrudern beobachtet wurde. Heterogene Kunststoffe kommen unter anderem beim Recycling oft vor. Im Zuge dieses Projektes soll das Aufschmelzen von homogenen und heterogenen Kunststoffen in solchen Extrudern genau analysiert und modelliert werden. Zu diesem Zweck werden sowohl bestehende Modelle erweitert, also auch völlig neue Modelle entwickelt. Hypothesen: Das Wissen über diese Aufschmelzmechanismen, deren Modellierung und deren allgemeines Verständnis können durch die Schaffung neuer Modelle und die Kombination von neuen mit bestehenden Modellen beträchtlich erweitert werden. Methoden: Im Zuge der Arbeiten kommen unter anderem eine einzigartige optische Messmethode und unterschiedliche Modellversuche zum Einsatz. Diese ermöglichen es, das Aufschmelzverhalten heterogener Kunststoffe genau zu analysieren, zu modellieren undein druck- und temperaturabhängiges Kriterium für das Auftreten des hocheffizienten dispersen Aufschmelzens zu bestimmen. Diese werden durch praktische Untersuchungen validiert. Die analytische Modellierung der Transport- und Aufschmelzvorgänge von (heterogenem) Kunststoff in konventionellen und neuartigen Einschneckenextrudern wird mit einem numerischen Modell basierend auf der Netzwerktheorie kombiniert. Innovation und Neuigkeitsgehalt: Die wenigen aber sehr aktuellen Arbeiten, die sich mit einzelnen Teilen der Thematik auseinandersetzen, lassen viele Fragen offen und bestätigen die hohe Relevanz. Experimentelle Untersuchungen bestätigten bereits, dass das Aufschmelzen heterogener Kunststoffe mit den bestehenden Modellen nicht beschrieben werden kann. Die Modellierung des Schmelzens von (heterogenen) Kunststoffen in Einschneckenextrudern mit Nuten in der Aufschmelzzone stellt einen wertvollen, hochinnovativen Beitrag sowohl für die Wissenschaft als auch für die Technologie dar und trägt dazu bei, das allgemeine Verständnis zu diesem Thema zu erweitern. Diese Grundlagenforschung wird von der wissenschaftlichen Community benötigt und gefordert.

Die Einschneckenextrusion ist eines der wichtigsten Prozesse in der gegenwärtigen Kunststoffverarbeitung. Auf Grund von wirtschaftlichen Rahmenbedingungen stellt die Durchsatzsteigerung bei gleichzeitigem aufrechterhalten einer hohen Schmelzequalität eines der vorrangigen Entwicklungsziele vieler Maschinenherstellung und Kunststoffverarbeiter dar. Dies erfordert neben einer zielgerichteten Schneckenauslegung vor allem ein tiefes Verständnis für die Transportvorgänge in der Plastifiziereinheit. In diesem Forschungprojekt wurden speziell lang genutete Zylinder mit Nuten in der Plastifizierzone, sowie das Aufschmelzverhalten von homogenen und heterogenen Polymeren untersucht. Die Aufschmelzleistung ist in sehr vielen Fällen der leistungslimitierende Faktor, welcher die Ausstoßleistung limitiert. Daher wurden in den letzten Jahren vermehrt Maschinenkonzepte entwickelt, welche Nuten in der Plastifizierzone aufweisen um dadurch die Aufschmelzleistung zu verbessern. Im Zuge dieses Forschungsprojektes wurde das Prozessverhalten von solchen Maschinen systematisch analysiert und modelltheoretisch beschrieben, um eine physikalisch fundierte Auslegung und Optimierung von Einschneckenextrudern mit Zylindernuten in der Plastifizierzone für homogene, sowie heterogene Werkstoffe zu ermöglichen. Hierzu wurden unter Einsatz unterschiedlicher Rohstoffe experimentelle Untersuchungen an Einschneckenextrudern mit unterschiedlich genuteten Zylindern durchgeführt. Dabei wurde das Fließverhalten der Kunststoffschmelze systematisch untersucht und charakteristische Prozessparameter wie z.B. Schneckendrehzahl, Durchsatz, Druckverhalten, Aufschmelzverhalten, oder Energieeintrag ausgewertet. Zu Modellierung des Aufschmelzverhaltens wurden Modellversuche an einem eigens entwickelten Prüfstand mit Reinmaterialien (homogen), als auch Mischungen (heterogen) durchgeführt. Um das Prozessverhalten, sowie das Aufschmelzverhalten modellieren zu können wurden bestehende Modelle erweitert, sowie völlig neue Modelle entwickelt. Zur Beschreibung der viskosen Reibung (Dissipation), welche hauptverantwortlich für die axiale Temperaturentwicklung ist, wurden völlig neuartige analytische Modelle entwickelt. Der Neuheitsgrad dieser Modelle liegt in der Kopplung des drei-dimensionalen Strömungsfeldes im Schneckenkanal unter gleichzeitiger Berücksichtigung der Strukturviskosität von Kunststoffschmelzen. Eine Vorhersage der Dissipation ist damit ohne numerische Methoden sowohl für druckaufbauende, als auch druckverbrauchende Schneckenabschnitte möglich. Durch die gleichzeitige Berücksichtigung der Strukturviskosität, als auch des komplexen Strömungsfeldes ist es mit diesem Modell möglich wesentlich genauere Vorhersagen zu treffen als mit den bisherigen Ansätzen.