Compoundierung

Compoundierung (aus dem Englischen: Compound = „Mischung“) ist ein Begriff aus der Kunststofftechnik, welcher mit Kunststoffaufbereitung gleichzusetzen ist und den Veredelungsprozess von Kunststoffen durch Beimischung von Zuschlagstoffen (Füllstoffe, Additive usw.) zur gezielten Optimierung der Eigenschaftsprofile beschreibt. Die Compoundierung erfolgt überwiegend in Extrudern (hauptsächlich gleichläufige Doppelschneckenextruder, aber auch gegenläufige Doppelschneckenextruder, sowie durch Planetwalzenextruder und Ko-Kneter) und umfasst die Verfahrensoperationen Fördern, Aufschmelzen, Dispergieren, Mischen, Entgasen und Druckaufbau.

Durch wesentliche Erkenntniszugewinne in diesem Bereich der Materialforschung wurde gegen Ende des 20. Jahrhunderts für Kunststoffe der Begriff des „Werkstoffs nach Maß“ geprägt. Das Spektrum der Zuschlagstoffe reicht hierbei von niedrigschmelzenden Glas- und Metalllegierungen bis hin zu antibakteriellen Additiven.

Compoundieren

Aufbereitung Allgemein

Die Aufbereitung hat den Zweck aus dem Kunststoffrohstoff eine Kunststoff-Formmasse mit den bestmöglichen Eigenschaften für die Verarbeitung und Anwendung herzustellen. Die Aufgaben der Compoundierung sind:

• Änderung der Teilchengröße
• Einarbeitung von Additiven
• Entfernung von Bestandteilen

Änderung der Teilchengröße

Da viele Kunststoffe bei ihrer Herstellung als Pulver oder grobstückige Harze auftreten und dies für die Verarbeitungsmaschinen (Spritzgussmaschinen etc.) unbrauchbar sind, ist die Weiterverarbeitung dieser Rohmassen besonders wichtig. Dabei handelt es sich aber nicht nur um Rohstoffe, sondern auch in vielen Fällen um Kunststoffabfälle (Rezyklat, Regenerat).

Einarbeitung von Additiven

Die fertige Mischung aus Polymer und Zusatzstoffen nennt man Formmasse. Diese Komponenten der Formmassen können in verschiedenen Aggregatszuständen vorliegen:

• Pulverförmig
• Körnig
• Flüssig / fließfähig

Ziel ist es die Komponenten mit der Formmasse möglichst homogen zu vermischen.

Folgende Additive werden häufig bei der Compoundierung eingesetzt:<ref>[1] Carova - Kunststoff Compounding GmbH</ref>

• Antioxidantien
• Gleitmittel
• Schlagzähmodifikatoren
• Antistatika
• Kohlenstoff-Fasern
• Talkum
• Bariumsulfat
• Kreide
• Thermostabilisatoren
• Eisenpulver
• Lichtschutzmittel
• Trennmittel
• Entformungshilfen
• Nukleierungsmittel
• UV-Absorber
• Flammschutzmittel
• PTFE
• Glasfasern
• Ruß
• Glaskugeln
• Silikon

Entfernung von Bestandteilen

Bei der Verarbeitung können zwei Bestandteile entfernt werden: Die Entfernung von Feuchtanteilen (Entfeuchten) oder die Entfernung von niedermolekularen Bestandteilen (Entgasen).

Einteilung der Aufbereitungsverfahren

Mischen

Distributives Mischen

Unter distributivem Mischen versteht man das gleichmäßige Verteilen alle Partikel in der Formmasse.

Dispersives Mischen

Unter dispersiven Mischen versteht man die Verteilung und Zerkleinerung der einzumischenden Komponente.

Mischen in der Praxis

Der Mischprozess kann entweder in der viskosen oder der Feststoffphase durchgeführt werden. Beim Mischen in der Feststoffphase ist der distributive Effekt wichtig, da die Zusatzstoffe schon in zerkleinerter Form vorliegen. Da das Mischen in der Feststoffphase selten ausreicht um eine gute Mischqualität zu erzielen wird häufig vom Vormischen gesprochen. Die Vormischung wird anschließend im Schmelzezustand gemischt.

Das viskose Mischen setzt sich im Allgemeinen aus 5 Teilbereichen zusammen.

• Aufschmelzen des Polymers und der Zusatzstoffe (wenn möglich)
• Zerteilen der Feststoffagglomerate (Agglomerate sind Zusammenballungen)
• Benetzen der Additive mit Polymerschmelze
• gleichmäßiges Verteilen der Komponenten
• Abtrennen unerwünschter Bestandteile (Luft, Feuchte, Lösemittel…)

Beim viskosen Mischen wird die benötigte Wärme hauptsächlich durch die Scherung und Reibung verursacht.

Diskontinuierliche Mischer

Heiz/Kühlmischer

Um die Absorption und Diffusionsvorgänge vom Zusatzstoff auf das Granulatkorn zu verbessern, muss der Kunststoff unter einer höheren Temperatur gemischt werden. Dabei kommt ein Heiz-/Kühlmischersystem zum Einsatz. Das Material wird im Heizmischer gemischt und fließt anschließend in den Kühlmischer, wo es zwischengelagert wird. Auf diese Weise werden Dry Blends hergestellt. (z.B.: trockenes PVC mit guter Rieseleigenschaft wichtig für den Einzug im Extruder)

Kontinuierliche Mischer

Diese Art von Mischer kommt hauptsächlich beim viskosen Mischen zum Einsatz.

Planetwalzenextruder

Der Planetwalzenextruder eignet sich einerseits zum Aufbereiten von empfindlichen Materialien bei denen eine exakte Temperaturführung erforderlich ist. Andererseits können sehr hohe Füllstoffgrade (bis zu 80 %) erreicht werden.

KO- Kneter

Eine besonders wirkungsvolle Maschine ist der KO- Kneter, dabei handelt es sich um einen Einschneckenextruder, der sowohl eine rotatorische als auch eine translatorische (Vor- Zurück) Bewegung ausführt.

Gleichläufiger Doppelschneckenextruder / Compoundierextruder

Die Aufgabe eines Extruders besteht darin, die ihm zugeführte Kunststoffmasse einzuziehen, zu verdichten, diese gleichzeitig unter Energiezufuhr zu plastifizieren und zu homogenisieren sowie unter Druck einem profilgebenden Werkzeug zuzuführen.

Das Haupteinsatzgebiet eines gleichläufigen Doppelschneckenextruders liegt nach wie vor in der Kunststoffaufbereitung. Er findet aber auch immer mehr in der Kunststoffherstellung und Verarbeitung seine Anwendung. Die Kunststoffaufbereitung wird in folgenden Schritten eingeteilt:

• Aufbereiten und Granulieren
• Füllen von Kunststoffen (Talkum, Glasfasern, Kreide)
• Verstärken von Kunststoffen (Glasfasern)

Doppelschneckenextruder mit gleichläufigem Schneckenpaar eignen sich aufgrund der guten Mischung für die Aufbereitung(Compoundierung) von Kunststoffen.

Ein gleichläufiger Doppelschneckenextruder wird in mehrere Verfahrenszonen eingeteilt. Diese Zonen sind miteinander gekoppelt und können nicht unabhängig voneinander betrachtet werden. So läuft z.B. das Einarbeiten von Fasern in die Schmelze, nicht nur in der vorbestimmten Dispergierzone ab, sondern auch in der Austragszone und in anderen Schneckengängen.

Granulieren

Da die meisten Verarbeiter den Kunststoff als Granulat benötigen, spielt das Granulieren eine immer wichtigere Rolle. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Heiß- und Kaltabschlag, je nach Verarbeitung resultieren daraus verschiedene Kornformen:

• Perlen oder Linsenkornform in Falle eines Heißabschlags
• Zylinder oder Würfelformen im Falle eines Kaltabschlags

Heißabschlag

Beim Heißabschlag wird der Extrusionsstrang direkt nach der Düse, durch ein mit Wasser überströmtes, rotierendes Messer abgehackt. Das Wasser verhindert dabei die Zusammenklebung der einzelnen Granulatkörner und kühlt das Material ab. Meistens wird zur Kühlung Wasser verwendet aber es kann auch Luft verwendet werden. Die Auswahl des richtigen Kühlmittels ist daher werkstoffabhängig. Der Nachteil einer Wasserkühlung ist, dass das Granulat anschließend getrocknet werden muss.

Kaltabschlag

Dabei werden die Stränge zuerst durch ein Wasserbad gezogen und anschließend im festen Zustand durch eine rotierende Messerwalze (Granulator) in die gewünschte Länge geschnitten.

Prozessmesstechnik

Zur Kontrolle und Regelung der Compoundierung sind die hierfür verwendeten Maschinen mit Messsonden ausgerüstet. Zur Prozessüberwachung und -regelung wird mindestens die Messung der Massetemperatur und des Massedrucks benötigt. Zusätzlich existieren noch eine Vielzahl an weiteren Messverfahren zur Prozess- und Qualitätskontrolle in der Schmelze<ref>Hochrein, T.; Alig, I.: Prozessmesstechnik in der Kunststoffaufbereitung, Vogel, Würzburg, 2011, ISBN 978-3-8343-3117-5</ref>:

• Farbmessung in der Schmelze<ref>Hochrein, T., Botos, J., Kretschmer, K., Heidemeyer, P., Ulmer, B., Zentgraf, T., Bastian, M.: Schneller und näher am Prozess, Kunststoffe (2012), S.9 </ref>
• On-line Rheometer zur Überwachung der Rheologie des Materials
• Spektroskopische Sonden zur Messung verschiedener charakteristischer Materialeigenschaften

Darüber hinaus werden andere Verfahren für den Einsatz als Prozessmesstechnik entwickelt:

• Ultraschallmesstechnik zur Überwachung von Partikelverteilung und Anteil<ref>Schober G. et al.: Degree of dipsersion monitoring by ultrasonic transmission technique and excitation of the transducer's harmonics, Vortrag, 29th International Conference of the Polymer Processing Society, Nürnberg, 2013</ref>
• Softsensoren zur Messung schwer zugänglicher Qualitätskenngrößen
• Dielektrische Spektroskopie

Literatur

• Hochrein, T.; Alig, I.: Prozessmesstechnik in der Kunststoffaufbereitung, Vogel, Würzburg, 2011, ISBN 978-3-8343-3117-5

Weblinks

Prozessmesstechnik in der Kunststoffverarbeitung: http://www.skz.de/de/forschung/geschaeftsfelder/schwerpunkt-prozessmesstechnik/index.html

Siehe auch

• Recycling

Einzelnachweise

<references />