Sie haben Fragen zur Extrusion, und Allan Griff hat die Antworten. Aber was er während eines kürzlich von PlasticsToday veranstalteten Webinars über die wichtigsten Grundsätze der Extrusion nicht hatte, war Zeit. Dutzende von Fragen wurden von den Teilnehmern gestellt, und er konnte nur eine Handvoll davon in der für die Live-Fragen vorgesehenen Zeit beantworten. Wie zu Beginn des Webcasts versprochen, beantwortete er jedoch alle Fragen, die in der Warteschlange unbeantwortet blieben, per E-Mail. Wir dachten uns, dass auch andere Leute aus der Extrusionsbranche von diesem Austausch profitieren könnten und geben ihn hier weiter.
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Und jetzt kommen wir zur Technik.
Q: Können Sie die häufigsten Ursachen für visuelle Defekte wie schwarze Flecken oder Gele beschreiben und was dagegen getan werden kann?
A: Degradation findet in sich langsam bewegenden Bereichen des Kopfes und der Matrize statt, insbesondere wenn die Matrize über einen längeren Zeitraum voll und heiß ist. Harz mit geringerer thermischer Stabilität (weniger Antioxidationsmittel) wird sich schneller abbauen. Die thermische Stabilität kann getestet werden, ist aber nur selten Teil der Kaufspezifikation. Sie wird verringert, wenn viel Mahlgut in der Mischung verwendet wird, aber mehr Antioxidationsmittel kann als Konzentrat hinzugefügt werden, wie Farbstoffe.
Drool an den äußeren Lippenrändern kann ebenfalls eine Ursache sein, insbesondere bei Blasfolien, bei denen die Düse nach oben extrudiert und die Oberfläche horizontal ist. Prozesshilfsmittel und Luft, die auf die austretende Linie gerichtet ist, reduzieren die Tropfenbildung.
Verschmutztes Futter kann so ziemlich alles einbringen, aber je nach verwendetem Gewebe kann vieles auf den Sieben aufgefangen werden. Für eine sehr feine Filtration werden Siebe aus gesinterten Metallfasern verwendet. Die Siebe helfen bei allem, was aus der Schnecke kommt, aber nicht bei dem, was sich in der Düse bildet.
Echte Gele sind vernetzte Polymere in einem frühen Stadium der Überhitzungsreaktion – klar, wenn das Produkt klar ist, aber vielleicht vergilbt, und unlöslich in Lösungsmitteln, die das nicht umgesetzte Polymer auflösen. Sie können sich überall bilden, sogar in der Schnecke, und durch die Siebe gelangen, wo sie in Gel-„Schauer“ zerfallen können.
Q: Gibt es eine Regel zur Berechnung der richtigen Berstscheibe, wenn ich 3000 PSI verwende?
A: Das hängt von den Sicherheitsgrenzen der Maschine und den Folgen eines Stillstands ab. Alle handelsüblichen Extruder können problemlos 3000 psi aushalten. Vergewissern Sie sich, dass auch die Düse und der Kopf den zu erwartenden Druck aushalten können, aber der maximale Druck liegt an der Schneckenspitze (wo sich das Manometer befinden sollte, hinter den Sieben) oder manchmal weiter hinten im Zylinder. Die Alarmierung des Manometers ist wichtig und kann unnötige Abschaltungen verhindern. Sie könnten einen Alarm bei 4500 einstellen, aber eine Scheibe für 5000 oder mehr einbauen.
Q: Was halten Sie von der Verwendung von Regenerat?
A: Verwenden Sie so viel wie möglich, ohne den Verkauf oder den Kunden zu verlieren. Testen Sie, um Konsistenz und minimale Verschlechterung sicherzustellen, aber erwarten Sie keine strenge Farbtreue. Halten Sie es sauber, um Verunreinigungen und Stresskonzentratoren im Produkt zu vermeiden.
Q: Können Sie etwas zur Auswirkung der Größe der Mahlgutpartikel im Verhältnis zum neuen Harz auf den Gesamtprozess und die resultierende Qualität sagen?
A: Wenn sie nicht einheitlich und ähnlich sind, kann es Bereiche mit mehr Mahlgut (stärker verfärbt, vielleicht schwächer) und Bereiche mit neuem Harz geben. Bei einer Vormischung kann sich das dichtere Neumaterial am Boden absetzen und ebenfalls solche Ungleichheiten verursachen. Wenn das Mahlgut nicht thermisch geschädigt ist (minimaler Verbrauch von Antioxidantien), macht es möglicherweise keinen großen Unterschied. Alle Partikel müssen wesentlich kleiner sein als die Kanaltiefe in der Einzugszone. Am besten verwendet man zwei getrennte Zuführungen, die auf die gewünschten Proportionen eingestellt sind.
Q: Gibt es unterschiedliche Schneckenkonstruktionen (Steigungen) für verschiedene Kunststoffe?
A: Nein, die meisten Steigungen sind entweder quadratisch (17,6˚) oder werden aus bestimmten Gründen geändert, z. B. in einem Barrierebereich oder für eine leichte, fluffige Zuführung.
Q: Können Sie etwas zur Nützlichkeit der Durchführung von Fließversuchen an extrudierten Platten vor sekundären (d. h. thermischen) Verfahren sagen?
A: Wenn Sie auch das Rohmaterial getestet haben, können Sie sehen, wie stark, wenn überhaupt, sich das Material während des Verarbeitungsprozesses verschlechtert hat. Die Lösungsviskosität zeigt dies auch für PVC, PET und einige andere.
Q: Wie steuern Sie die Vermischung verschiedener Polymere?
A: Eine sehr wichtige Frage: Einige Stichworte sind Schneckenkonstruktion, Schneckenflügelverschleiß (hilft manchmal), statische Mischer, engeres oder offeneres Siebpaket, Kontrolle der Schneckenfußtemperatur, Düsenwiderstand und Auswahl von Konzentratträgern, die einen viel höheren Durchfluss als das Grundmaterial haben.
Q: Wie wirkt sich der Feuchtigkeitsgehalt (oder das Trocknen des Materials vor der Verarbeitung) auf den Extrusionsprozess und das daraus resultierende extrudierte Produkt aus?
A: Das hängt vom Polymer und den Additiven ab. Die meisten Additionspolymere (PE, PP, PS, PVC) nehmen keine Feuchtigkeit auf, aber ihre Additive, wie Füllstoffe und Pigmente, können dies. In solchen Fällen wird alles, was über 0,1 Gew.-% H2O liegt, beim Verlassen der Düse verdampfen und auf der extrudierten Oberfläche gepunktete Linien oder Blasen bilden. Diese Menge an Feuchtigkeit kann durch eine Entlüftung oder in einem Heißlufttrockner entfernt werden, der am besten auf oder direkt am Extruder montiert wird. Einige wenige Additionspolymere, vor allem ABS und Acrylglas, nehmen mehr als 0,1 % auf, insbesondere in feuchten Gebieten. In diesen Fällen kann eine aggressivere Trocknung erforderlich sein, z. B. mit einem Entfeuchtungstrockner oder manchmal mit einer doppelten Entlüftung. Bei Kondensationspolymeren (PET, PC und Nylons) wird das Wasser bei der Polymerisationsreaktion ausgetrieben, und bei der Schmelztemperatur greift das Wasser die Bindung an, aus der es stammt, und bricht sie. Das Produkt hat dann eine geringere Zug- und Schlagfestigkeit, ist aber nicht weniger steif. Diese Polymere müssen auf viel niedrigere Werte getrocknet werden (0,01 % oder weniger); Entfeuchtungstrockner sind üblich, aber manchmal reicht ein Entlüfter aus, wenn die Extrusion schnell genug ist (geringere Verweilzeit bei der Schmelztemperatur), um diesen Abbau auf ein erträgliches Maß zu reduzieren.
Q: Welches ist die beste Technik zur Messung der Schmelzetemperatur, und welches sind die häufigsten Fallstricke, die die Zuverlässigkeit der Temperaturmessung beeinträchtigen?
A: Separate Schmelzetemperatursonde im Kopf, möglichst nach den Sieben und dem statischen Mischer; variable Tiefe ist am besten, aber leicht zu beschädigen. Auch die Infrarotmessung des austretenden Extrudats ist gut, wenn das Messgerät fest gehalten oder fest montiert wird. Bei runden Produkten scannen Sie langsam über das Produkt und achten auf den höchsten Wert. Ein Doppelmessgerät an der Schneckenspitze ist weniger zuverlässig, aber besser als gar nichts. Beurteilen Sie nicht die Temperatur des Zylinders oder der Matrize, und gehen Sie nicht davon aus, dass die gesamte Masse im Fließweg die gleiche Temperatur hat.
Zu den Fallstricken gehört die Kalibrierung der Messgeräte (kochendes Wasser 212 F und reines Ethylenglykol = Frostschutzmittel 387 F).
Q: Entsteht Rissbildung durch Überhitzung?
A: Wenn Sie die Rissbildung an einem fertigen Teil meinen, ja; die zusätzliche Hitze könnte den Kunststoff zersetzen, insbesondere an der Oberfläche, die der Luft ausgesetzt ist, und ihn spröder machen. Wenn Sie Spannungsrisse durch Umwelteinflüsse meinen, vielleicht, aber dazu müssten wir mehr über das Polymer selbst, sein Molekulargewicht/Schmelzindex, die Umgebung (Reinigungsmittel?) und die Belastungen des Produkts wissen.
Q: Wie können Sie wissen, ob die Extrudereinstellungen die Wirksamkeit von Additiven wie Flammschutzmitteln beeinträchtigen?
A: Sie müssen den Zersetzungstemperaturbereich des Flammschutzmittels kennen. Messen Sie die Schmelzetemperatur möglichst nahe am Austritt und so zuverlässig wie möglich, und stellen Sie fest, ob sie in der Nähe oder jenseits der zulässigen Schmelzetemperatur für das Flammschutzmittel liegt.
Q: Warum haben sich die getriebelosen Extruder mit Direktantrieb nicht durchgesetzt? Ist es, weil sich die Energieeinsparungen nicht lohnen?
A: Die derzeitigen Motoren leisten gute Arbeit, und Direktantriebe sind nicht eindeutig überlegen, weder in Bezug auf den Preis, die Leistung noch auf die Energieeinsparungen. Sie haben eine Nische, in der der Platz minimiert werden muss (z.B. Co-Extrusion), und einige OEMs setzen sie in neuen Anlagen ein, auch wenn der Platz nicht begrenzt ist.
Q: Ist es möglich, Profilextrusion mit einem Material mit hohem Schmelzindex (MI) (über 1) durchzuführen? Welche Eigenschaften haben Materialien mit höherem Schmelzindex?
A: Materialien mit höherem Schmelzindex haben kürzere, kleinere Moleküle und sind in der Schmelze weniger steif (niedrigere Viskosität), aber das hängt von der Temperatur ab, so dass sie kühler als Materialien mit niedrigerem Schmelzindex verarbeitet werden müssen. Ein MI von 1 ist nicht sehr hoch und sollte für die meisten Profile möglich sein. Achten Sie auf den Abstand zwischen der Matrize und der ersten Kühlung, da Sie diesen möglicherweise ändern müssen, um einen zu großen Durchhang in diesem Bereich zu vermeiden. Möglicherweise sollten Sie den entstehenden Kunststoff in diesem Bereich sowie die Kühlvorrichtungen mit Kühlwasser besprühen oder beträufeln. Ich kann nicht mehr sagen, ohne mehr über das Profil und den Harztyp zu wissen.
Q: Einige europäische Extruder drehen die Schnecke wesentlich schneller als herkömmliche Einschneckenextruder. Sehen Sie das als Verbesserung, d. h. mehr Ausstoß bei einer bestimmten Zylindergröße?
A: Mir geht es weniger um die Zylindergröße oder die Drehzahl, sondern mehr um die Kosten pro Ausstoßeinheit bei gleicher Qualität (Mischung, Festigkeit) und die Fähigkeit, die Temperaturen unter Kontrolle zu halten. Eine höhere Geschwindigkeit bedeutet eine heißere Schmelze, aber auch eine kürzere Verweildauer bei hoher Temperatur, was die Kosten kompensieren kann oder auch nicht. Geschwindigkeit um der Geschwindigkeit willen ist wie neu um des Neuen willen und lenkt oft von einer verantwortungsvollen Kostenanalyse ab.
Q: Gibt es besondere Bedingungen für die Verarbeitung von Polyamiden, Polylactid oder anderen Polymeren, um die Degradation zu verhindern? Welche Harze müssen zum Beispiel getrocknet werden? Welche müssen unter Ausschluss von Sauerstoff verarbeitet werden?
A: Bei Kondensationspolymeren wie Ihren Beispielen greift Wasser die Bindungen zwischen den Monomeren bei Schmelztemperaturen an und bricht sie auf. Das Produkt ist dann schwächer bei Zug und Schlag, aber nicht weniger steif. Diese Polymere müssen auf ein sehr niedriges Niveau getrocknet werden; Entfeuchtungstrockner sind üblich, aber manchmal reicht ein Entlüfter aus, wenn die Extrusion schnell genug ist (geringere Verweilzeit bei der Schmelzetemperatur), um den Abbau auf einem erträglichen Niveau zu halten.
Polyamide sind ein wenig anders, da sie viel Feuchtigkeit absorbieren, aber diese wirkt auch als Weichmacher, so dass man zu viel trocknen kann, eine höhere Viskosität erhält und somit mehr Wärme in der Schnecke erzeugt. Es gibt einen optimalen Trocknungsgrad, nicht nur „so trocken wie möglich“.
Was den Sauerstoff betrifft, so kann er zu Verfärbungen und Zersetzungen führen, aber im Extruder gibt es keinen Sauerstoff außer der Luft zwischen den Partikeln, die normalerweise zu kühl ist, um zu reagieren. Einige Folienanlagen, die unter Stickstoff betrieben werden, schließen selbst diese Möglichkeit der Oxidation aus. Größere Sorgen wegen der Oxidation bereitet die Oberflächentemperatur beim Verlassen der Düse – eine höhere Temperatur bedeutet eine bessere Haftung des Drucks, aber eine langsamere Heißsiegelung und mögliche Geruchs-/Geschmackseffekte.
Q: Können Sie uns mehr über die Scherverdünnung sagen?
A: Je schneller sich eine Schmelze relativ zu den Zylinder- oder Düsenwänden bewegt, desto dünner wird sie (weniger Kraft, um eine bestimmte Menge zu schieben = geringere Viskosität). Dies ist besonders nützlich für hochviskose Schmelzen wie PVC, ABS und PE mit niedrigem MI und bedeutet, dass sie mit niedrigeren Schmelzetemperaturen betrieben werden können oder weniger Wärme im Extruder erzeugen, oder beides. Das Ausmaß der Scherverdünnung kann durch den Potenzgesetz-Exponenten ausgedrückt werden, der das Verhältnis zwischen Schubkraft und Durchfluss angibt. Bei einem Exponenten von 2 ergibt die Verdoppelung des Schubes den vierfachen Durchfluss (2 zum Quadrat = 4). Bei einem Exponenten von 3 ergibt der doppelte Schub den 8-fachen Durchfluss (2 zum Quadrat = 8).
Q: Wie lässt sich die Einspeisetemperatur am besten optimieren?
A: Verwenden Sie einen Heißlufttrockner, falls vorhanden, auch wenn keine Trocknung erforderlich ist. Finden Sie die geeignete Futtertemperatur durch Ausprobieren und Erfolg. Die tatsächliche Temperatur macht möglicherweise keinen großen Unterschied, da die Konsistenz am wichtigsten ist.