Für die Compoundier-Industrie hat das initiale Aufschmelzen eine große Bedeutung, da bis zu 80 Prozent der gesamten Energie in der Plastifizierzone und hier speziell in der ersten Knetblockstufe eingebracht wird. Wissenschaftlern aus dem Leistungsfeld Polymertechnik des Fraunhofer-Instituts für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF ist es gelungen, einen Einblick in den Compounding-Prozess zu gewinnen, um der Industrie in Zukunft eine material- und prozessspezifische Gestaltung der Schmelzzone zu ermöglichen. Unter anderem wird es bei gleicher Prozesssicherheit möglich sein, den Energieeintrag in das Polymer auf das notwendige Minimum zu reduzieren. In dem überarbeiteten Prozess wird das Polymer thermisch und mechanisch weniger beschädigt, was wiederum die mechanischen Eigenschaften und die chemische Beständigkeit des Produktes verbessert und die Emissionen aus der Verarbeitung reduziert.
Plastische Deformation visualisiert
Zur Untersuchung des Energieeintrages in der Aufschmelzzone gleichläufiger Doppelschneckenextruder hat das Fraunhofer LBF ein Instrument entwickelt, mit dessen Hilfe sich der Querschnitt der Plastifizierzone visualisieren lässt. Dazu setzen die Wissenschaftler eine Hochgeschwindigkeitskamera ein. Mit einer Auflösung von 2000 Einzelbildern pro Sekunde konnten sie erstmalig die Bewegung, Deformation und das initiale Aufschmelzen von Kunststoffgranulaten darstellen, dokumentieren und bewerten. Diese Aufnahmen wurden mit einer hochauflösenden Drehmomenten-Messung kombiniert. Auf diese Weise lässt sich nun der mechanische Energieeintrag jedem visualisierten Zustand zuordnen und die theoretische Temperaturerhöhung berechnen.
Am Beispiel eines Polypropylengranulates zeigte sich, dass das Granulat durch eine massive plastische Deformation zum Fließen gebracht wird und lokal initial innerhalb von Sekundenbruchteilen plastifiziert. Dabei wird das Granulat zunächst zwischen der aktiven Flanke und der Zylinderwand verklemmt. Anschließend folgt eine Deformation, welche in zwei Phasen eingeteilt werden kann: Zunächst wird das Granulat verdichtet und in das freie Volumen gepresst. Anschließend wird in dieses vorkompaktierte Volumen massiv Energie durch weitere plastische Deformation eingebracht.
Diese Vorgänge dauern bei einer Schneckendrehzahl von 1200 Umdrehungen pro Minute nur rund fünf Millisekunden. Neben der plastischen Deformation im Zwickelbereich kommt es auch zu einer Kompression vor der aktiven Flanke. Neben den Materialeigenschaften haben vor allem geometrische Aspekte wie beispielsweise die Granulatgröße und –form sowie das freie Volumen im Knetblockbereich einen wesentlichen Einfluss auf das Aufschmelzen. Die Quantifizierung erfolgt mit einer hochauflösenden Drehmomentenmessung.
