Compounding von Kunststoffen – BKM
Kunststoffe sind aus der modernen Zivilisation kaum wegzudenken. Sie lassen sich in ihren Eigenschaften an die Anforderungen des Anwendungszwecks anpassen und in die verschiedensten Formen bringen.
Maßgeschneiderte Kunststoffe weisen spezielle Merkmale auf, die das spätere Produkt, das daraus hergestellt ist, auszeichnen.
Damit wir einen solchen Werkstoff herstellen können, brauchen wir zunächst einen Grundstoff mit geeigneten chemischen und physikalischen Eigenschaften.
Anschließend können wir das Grundmaterial durch verschiedene Zusätze wie Härter, Weichmacher oder Beschleuniger präzise dosiert verändern. Eine schnelle und exakte Vermischung erfordert spezielle Maschinen und Technologien.
Der Vorgang, bei dem der Grundstoff mit Füllstoffen und Additiven vermengt wird, nennt sich Compounding. Die Bezeichnung geht auf das englische Verb „to compound“ für „zusammensetzen“ zurück.
Inhalt:
Das Compounding von Kunststoffen
Das Compoundieren ist in gewisser Hinsicht mit dem Komponieren von Musik vergleichbar: So wie sich die gleichen Noten immer wieder zu neuen Melodien zusammenfügen, entstehen beim Compounding aus den gleichen Grundstoffen regelmäßig Polymere mit neuen Eigenschaften.
Um diese Komposition von Kunststoffen mit den gewünschten Eigenschaften umzusetzen, werden drei verschiedene Extrusionsverfahren angewendet. Diese sind die Extrusion mit dem Schneckenextruder, dem Planetwalzenextruder und dem Ko-Kneter.
Damit Platz für die Komponenten entsteht, die neu eingefügt werden, müssen zunächst die Oberfläche und molekulare Struktur des Grundwerkstoffs aufgeschlossen werden. Dazu wird die Grundmasse erhitzt. In die nun offene und aufnahmefähige Struktur werden die Zuschlagstoffe eingeknetet.
Durch seine Förderschnecke bewegt der Schneckenextruder die flüssige, klebrige Masse. Die schneckenförmige Bewegung erzeugt einen Druck, der bewirkt, dass das Material fließt und in Richtung Austrittsdüse wandert.
Nach dem gleichen Prinzip wie beim Zusammenfügen zweier thermisch behandelter Massen können mit dem Doppelschneckenextruder auch zwei oder mehr Komponenten zusammengesetzt werden.
Bei Duroplasten und Epoxidharz wird auf diese Weise eine chemische Reaktion ausgelöst, die es ermöglicht, Härter, Weichmacher und Beschleuniger einzubinden.
Die Anlagen fürs Compounding
Das zentrale Element aller Anlagen fürs Compounding sind ein oder mehrere Extruder. Extruder sind Geräte mit einer Förderschnecke. Sie pressen granulierte oder plastische Massen mit Druck gegen eine Düse und bringen sie auf diese Weise nach außen.
Dabei verläuft der Herstellungsprozess kontinuierlich und ohne Mischpausen. Am häufigsten werden gleich- und gegenläufige Doppelschneckenextruder eingesetzt.
Planetwalzenextruder sind vielseitige Extruder, die sich vor allem für Produkte eignen, die nur dann miteinander reagieren, wenn bestimmte Temperaturen exakt eingehalten werden. Mittig verläuft eine Walze, die in Längsrichtung mit Zähnen ausgestattet ist, um die herum kleinere, frei laufende Walzen angeordnet sind.
Sie umkreisen die Zähne der Walze wie Planeten und erfassen den Kunststoff in den Zwischenräumen. Ähnlich wie bei einer Kaubewegung werden die Zuschlagstoffe dann in den Kunststoff eingearbeitet. Kleine Bohrungen in der Walze nehmen den fertig gemischten Kunststoff auf und leiten ihn zu einer Düse oder in ein Formwerkzeug weiter.
Durch die Einstellung des Abstands zwischen der Walze und der Wandung des Behälters kann der Druck auf die Kunststoffmasse reguliert werden.
Je höher der Druck ist, desto höher ist der Reibewiderstand. Dadurch steigt die Temperatur und ein schnelleres Arbeiten wird möglich.
Die Kontrollmechanismen beim Compounding
Wenn Additive und andere Zuschlagstoffe erwärmt und zugesetzt werden, bilden sich Reaktionsgase, die den Druck im Behälter erhöhen. Das kann die Qualität des Kunststoffs negativ beeinflussen, weil sich Blasen bilden können.
Um eine gleichbleibende Qualität und chemische Zusammensetzung zu gewährleisten, muss während des Prozesses eine wirksame Entgasung erfolgen.
Zusätzlich dazu ist notwendig, Wasserdampf abzuleiten. Denn bei einigen Werkstoffen wird zum Beispiel durch Polykondensation Wasser frei.
Das Compounding erfordert, alle Arbeitsschritte ab der Bereitstellung der Rohmasse bis zum Austritt der fertigen Kunststoffe zu regeln und zu überwachen. Aus diesem Grund wird die Prozesstemperatur durch Sensoren, die so nah wie möglich an der fließenden Schmelze positioniert sind, permanent gemessen.
Reibungslose Abläufe setzen einen gleichbleibenden Druck voraus. Er wird durch hochsensible Manometer überprüft.
Eine Ultraschallmessung informiert über die Dichte der Masse, während Farbsensoren die Konsistenz des Kunststoffs überwachen.
Dispersives und distributives Mischen
Damit Rohmaterial zu einem compoundierfähigen Ausgangsmaterial wird, müssen verarbeitbare Formate hergestellt werden. Dieses Urformen des Grundstoffs aus unterschiedlich großen Bestandteilen nennt sich dispersives Mischen.
Aus den zerriebenen Bruchstücken entstehen Granulate, Pulver oder Kunststoffmassen, in die anschließend die Zusätze eingearbeitet werden können.
Im distributiven Mischverfahren werden die nun gleich großen Partikel gleichmäßig miteinander vermengt.
Der Prozess des Knetens in der doppelläufigen Förderschnecke glättet kleine Verklumpungen zu einer homogenen Struktur. Abgase und Kondensat werden abgesaugt. Die fertige, plastische Masse kann nun durch die Düse austreten.
Das Granulieren des Compounds
Ein großer Teil der gewonnenen Rohmasse wird nicht sofort weiterverarbeitet, sondern dient als Ausgangsmaterial für weitere Compoundings. Dazu wird der austretende Strang Kühlwasser ausgesetzt, damit er erstarrt.
Eine rotierende Messerwalze zerteilt das Material daraufhin in kleine Teile. Bei diesem sogenannten Kaltabschlag entsteht Granulat mit würfel- oder zylinderförmigen Körnern. Je nach Verwendungszweck kann die Größe der Körner eingestellt werden.
Eine andere Methode ist der sogenannte Heißabschlag. Dabei wird der austretende Kunststoffstrang nicht gekühlt. Stattdessen läuft das Kühlwasser über die rotierenden Messer und spült die abgetrennten Körner gleichzeitig in den Auffangbehälter.
Das Granulat, das auf diese Weise entsteht, hat die Form von Perlen oder Linsen. Das fertige Granulat wird als Schüttgut über ein Förderband zunächst in die Trockenkammer und anschließend in die Abfüllstation transportiert.
Der Bedarf an compoundierfähigen Grundstoffen in der weiterverarbeitenden Industrie ist groß.
Wir können Granulate sowohl als Ausgangsmaterial für ein weiteres Compounding vor Ort als auch als fertigen, maßgeschneiderten Grundstoff liefern.
