Leistritz berichtet über Markttrends für Doppelschneckenextrusion im ersten Quartal 2022

In der modernen Polymerverarbeitung sind gleichläufige, ineinandergreifende Doppelschneckenextruder (TSE) zu unverzichtbaren Geräten geworden, um ein effizientes, schnelles und präzises Mischen zu erreichen. Ihre einzigartige Fluiddynamik zwischen den Schnecken ermöglicht überlegene dispersive und verteilende Mischfähigkeiten, sei es beim Compoundieren von Polymeren mit Füllstoffen/Additiven oder beim Verleihen spezifischer Eigenschaften an Endprodukte. Der Hauptvorteil liegt im ausgefeilten Schneckendesign und der Optimierung der Prozessparameter, was eine gründliche Materialmischung und Leistungssteigerung ermöglicht.

• Schneckengeschwindigkeit (TSE-Schnecke U/min):Moderate Erhöhungen verbessern das Mischen, zu hohe Geschwindigkeiten können jedoch aufgrund der hohen Scherung zu einer Materialverschlechterung führen.
• Grad der Schneckenfüllung:Höhere Füllraten verlängern die Verweilzeit und Mischhäufigkeit, während niedrigere Füllraten eine schonendere Verarbeitung ermöglichen.
• Temperatur:Wirkt sich direkt auf die Materialviskosität aus und beeinflusst die Mischeffizienz. Eine optimale Temperatur verhindert den Abbau und reduziert gleichzeitig die Scherfestigkeit.
• Dehnungsmischen und planare Scherung:Kritische Mechanismen in TSEs, bei denen Verweilzeit und Mischfrequenz die Wirksamkeit des dispersiven Mischens bestimmen.
• Sequentielle Fütterung:Durch das Einbringen von Komponenten in unterschiedlichen Phasen wird die Scherbelastung kontrolliert und eine präzise Prozessführung ermöglicht.

Bei flexiblen Verpackungen dominieren biaxial orientierte Folien (Biax) aufgrund ihrer überlegenen physikalischen, mechanischen und Barriereeigenschaften. Da die Produktionskapazitäten oft mehrere Tonnen pro Stunde erreichen, weisen TSEs hinsichtlich des Kosten-Kapazitäts-Verhältnisses erhebliche Vorteile gegenüber Einschneckenextrudern (SSE) auf, was sie zur bevorzugten Wahl für neue Biax-Folienlinien macht.

• Energieeffizienz:TSEs wandeln Motorenergie effizienter in Materialschmelze/-erwärmung um und erzielen so eine Energieeinsparung von 20–35 %. Durch die integrierte Entgasung entfällt die Vortrocknung hygroskopischer Materialien wie PET.
• Prozessvorteile:Die integrierte Produktion reduziert den thermischen/Scherverlauf, minimiert die Gelbildung, sorgt für eine gleichmäßige Molekulargewichtsverteilung und verhindert die Agglomeration des Materials.
• Wartung und Stellfläche:Der modulare Aufbau ermöglicht den Austausch einzelner Komponenten, während TSEs weniger als die Hälfte des Platzes von SSEs beanspruchen.

Polymilchsäure (PLA) und Polyhydroxyalkanoate (PHA) sind herausragende Biokunststoffe mit unterschiedlichen Verarbeitungseigenschaften. PLA erfordert typischerweise TSEs mit hohem Drehmoment für die Pelletverarbeitung, während die Pulverform von PHA optimierte Einzugszonendesigns erfordert. Die Experimente von Leistritz zeigen, wie segmentierte Schneckenkonfigurationen die Zufuhr- und Schmelzleistung verbessern.

• PLA-Schmelztests:Optimierte Schmelzzonendesigns reduzierten Drehmoment und Temperatur bei der NatureWorks™ 4032D PLA-Verarbeitung.
• PHA-Verarbeitung:Modifizierte Schneckenkonstruktionen mit verzögertem Schmelzen und atmosphärischer Entlüftung erhöhten den Durchsatz von 12 kg/h auf 62 kg/h bei 800 U/min.

Die Kombination mehrerer Extruder in Reihe ermöglicht die kostengünstige Produktion spezieller Materialien. Diese Systeme integrieren Einschnecken-, gleichläufige und gegenläufige Doppelschneckenextruder, um effektive Längen-Durchmesser-Verhältnisse von mehr als 100 L/D zu erreichen und so den sequentiellen Betrieb der Einheiten zu erleichtern.

Beispielsweise erfordert das Recycling von Polyvinylbutyral (PVB) aus Sicherheitsglas für Kraftfahrzeuge ein Tandemsystem mit zwei gleichläufig rotierenden TSEs zur Dehydrierung, Glasfaserdispersion, Füllstoffeinarbeitung und Pelletierung.

Der Überflugspalt – der Raum zwischen Schneckenspitze und Zylinderwand – ist der Ort, an dem Materialien einer intensiven Dehnungsmischung und planaren Scherkräften ausgesetzt sind. Die maximale Schergeschwindigkeit wird wie folgt berechnet:

Spitzenschergeschwindigkeit = (π × D × n) / (h × 60)

wobei D = Schneckendurchmesser, n = Schneckengeschwindigkeit und h = Überflugspalt. Bei einer 77,5-mm-Schraube mit 0,55-mm-Spalt bei 600 U/min erreicht dies 4867 s⁻¹.

Die Scherspannung (Schergeschwindigkeit × Viskosität) bestimmt die Wirksamkeit des dispersiven Mischens. Eine hohe Viskosität im Frühstadium fördert die Dispergierung, birgt jedoch das Risiko einer Zersetzung scherempfindlicher Materialien, während eine Viskositätsreduzierung im späteren Stadium die Belastung minimiert. Durch Kühlung kann die Schmelzviskosität erhöht werden, um bei Bedarf eine stärkere Dispersion zu erreichen.

• Mehrere TSEs (ZSE 12 MAXX bis ZSE 50 MAXX)
• Diverse Pelletiersysteme (Strang, Unterwasser, Hot-Face)
• Über 40 Zuführgeräte für Pellets, Pulver, Fasern, Flüssigkeiten und Rezyklate
• Nachgeschaltete Ausrüstung für Folien/Platten (50 mm–1 m Breite), Schläuche/Profile und 3D-Druckfilamente
• Überkritische Schäumungs- und mehrstufige Entgasungssysteme

Bei der Demontage erweisen sich Heizelemente mit einem Propangasbrenner und anschließend ein pneumatischer Schlaghammer mit Messingspitze (ähnlich wie bei Kfz-Abgaswerkzeugen) als wirksam:

1. Im warmen Zustand zerlegen oder im abgekühlten Fass 20 Minuten lang erneut erhitzen.
2. Stützen Sie lange Schrauben gleichmäßig ab, um ein Durchbiegen zu verhindern.
3. Endmutter entfernen; Wenn möglich, letztes Element abziehen. Andernfalls wenden Sie Wärme und Geduld an.
4. Verwenden Sie für hartnäckige Elemente einen Messingdorn und einen Hammer, um die Hitze beim Gewindeschneiden aufrechtzuerhalten.
5. Freiliegende Wellen nach jedem Ausbau reinigen.