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Extrusionsversuche im Technikum

Am Standort von Extricom in Lauffen a.N. steht ein voll ausgestattetes Technikum für Extrusionsversuche zur Verfügung. Ein RingExtruder RE3XP mit einem Schneckendurchmesser von 30 mm, der für die kontinuierliche Aufbereitung von Gummimischungen ausgerüstet ist, deckt abhängig von der Produktzusammensetzung einen Durchsatzbereich von ca. 50 bis 300 kg/h ab.

Bei der Herstellung von Gummimischungen besitzt ein kontinuierlicher Extrusionsprozess gegenüber den Innenmischerverfahren einen erheblichen Vorteil hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten sowie des Platzbedarfs. Zudem steigt die Reproduzierbarkeit der Produktqualität und die Verfahren lassen sich leichter automatisieren. Aus diesen Gründen wird an der Entwicklung kontinuierlicher Prozesse zur Herstellung von Gummimischungen mit unterschiedlichen Extrudertypen, insbesondere gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextrudern, gearbeitet.
Dessen ungeachtet wird die Gummi-Industrie immer noch durch batchweise arbeitende Innenmischer mit nachgeschalteten Walzwerken dominiert, obwohl diese Aggregate oftmals zwei- oder mehrfach durchlaufen werden müssen. Dies resultiert aus der Durchsatzlimitierung der Doppelschneckenextruder auf 300 bis 400 kg/h. Gründe hierfür sind eine unzulängliche Dispergierwirkung sowie eine mangelhafte Temperaturkontrolle bei zunehmender Maschinengröße der Doppelschneckenextruder. Ab einem Schneckendurchmesser von etwa 90 bis 120 mm sind die Temperaturen aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten nicht mehr beherrschbar. Beim Scale-Up solcher Maschinen ist außerdem zu berücksichtigen, dass das Maschinenvolumen beziehungsweise die Antriebsleistung mit der dritten Potenz des Schneckendurchmessers ansteigen. Die für die Wärmeübertragung zur Verfügung stehenden Flächen wachsen jedoch lediglich quadratisch. Daher verschlechtert sich das Oberflächen/Volumen-Verhältnis mit zunehmender Baugröße bis die Extruderkühlung keinen Einfluss mehr auf die Massetemperatur hat und sich ein quasi adiabater Prozess ergibt.

Steigerung der Durchsatzleistung

Ausgehend von den gleichsinnig drehenden, dichtkämmenden Doppelschneckenextrudern gelingt eine Durchsatzsteigerung beim RingExtruder-Konzept zunächst durch die Vervielfachung der Schneckenanzahl auf zwölf. Daher werden bei identischen Schneckendurchmessern im RingExtruder wesentlich höhere Durchsätze als mit Doppelschnecken erzielt. Dabei bleiben jedoch die Verhältnisse hinsichtlich des Oberflächen/Volumen-Verhältnisses und damit der Kühlleistung annähernd erhalten. Gleichzeitig wird aber die Misch- und Dispergierwirkung deutlich verbessert und der spezifische Energieeintrag minimiert. Zudem erhöhen größere Schneckendurchmesser weiter den Durchsatz.
Auf diese Weise bietet der RingExtruder die Möglichkeit, mit einem kontinuierlichen Verfahren an die Durchsatzansprüche der Gummi-Industrie heranzureichen. Seit einiger Zeit werden die ersten Maschinen mit einem Schneckendurchmesser von 70 mm in diesem Industriezweig erfolgreich in Serienproduktion betrieben und ersetzten sowohl Innenmischer als auch nachgeschaltete Walzwerke. Die Durchsätze liegen rezepturabhängig bei etwa 1200 bis 3000 kg/h. Eine weitere Erhöhung des Durchsatzbereiches ist mit der nächsten Baugröße in Planung.
Anwendungsbeispiele sind:

  • Fußbodenbeläge, Gummiplatten und -Bahnen
  • Gummiprofile, Faltenbälge, Dichtungen, Schläuche
  • Reifen
  • Dehnungsfugenbänder und Bauelemente im Brücken- und Hochbau
  • Gummidämpfer
  • Kabelummantelungen
  • Kautschukbasierte Klebstoffe

Zwölf koaxiale Schnecken

Der RingExtruder besteht aus zwölf koaxialen Schnecken in einer kreisförmigen Anordnung. Alle benachbarten Wellenmittelpunkte weisen denselben Achsabstand auf und greifen dicht kämmend ineinander. Die Schnecken rotieren mit identischer Drehzahl ortsfest um ihre eigene Mittelachse. Die Bewegungsverhältnisse, zumindest wenn man zwei benachbarte Schnecken isoliert betrachtet, sind der gleichsinnig drehenden, dicht kämmenden Doppelschnecke sehr ähnlich. Daraus lässt sich folgern, dass der RingExtruder prinzipiell sämtliche Aufgaben der Doppelschneckenextruder in zumindest derselben Qualität erfüllen kann.
Die Schnecken sind mit dichtkämmenden, „selbstreinigenden“ Profilen ausgestattet und in allen Varianten wie bei den Doppelschneckenmaschinen verfügbar. Die modulare Bauform des Extruderzylinders sowie der Schneckengeometrien gewährleisten ein Maximum an Flexibilität. Bei jeder Schnecke sind zwei Nachbarschnecken gleichzeitig im Eingriff. Die Schneckenoberfläche wird dadurch bei jeder Schneckenumdrehung zweifach abgestreift. Somit gestaltet sich die Selbstreinigung nochmals deutlich intensiver als bei der gleichsinnig drehenden Doppelwelle. Daraus resultiert die Möglichkeit, das Material im Extruder innerhalb sehr enger Verweilzeitspektren zu verarbeiten. Dies ist insbesondere bei der Durchführung chemischer Reaktionsprozesse von Bedeutung. Außerdem führt die ausgezeichnete Selbstreinigung zu außerordentlich kurzen Übergangszeiten bei Material- und Betriebspunktwechseln. Weiterhin wird bei jedem Selbstreinigungsvorgang neue Plastifikatoberfläche gebildet. Daraus resultiert eine hohe Oberflächen-Neubildungsrate, welche für Entgasungsvorgänge von entscheidender Bedeutung ist.
Durch die Anordnung der Schneckenwellen in einem Kreisring werden zwei Prozessräume gebildet. Der äußere Prozessraum befindet sich zwischen dem Extrudergehäuse und den Schnecken, der innere Prozessraum zwischen den Schnecken und dem ortsfesten Kern. Während das Material im äußeren Prozessraum von einer Schnecke zur Nachbarschnecke im Uhrzeigersinn übergeben und gleichzeitig zum Austritt gefördert wird, erfolgt der Materialtransport im inneren Prozessraum entgegengesetzt dem Uhrzeigersinn. Dadurch ergibt sich ein gegenläufiger Materialtransport in Umfangsrichtung. Diese Verhältnisse führen zu guten Bedingungen für eine intensive Quer- und Längsvermischung. Hierfür muss lediglich ein Stoffaustausch zwischen den beiden Prozessräumen realisiert werden, wofür das gesamte Spektrum der bekannten Mischelemente zur Verfügung steht.

Mischen mit geringem Energie-Eintrag spart Kosten

Bei der Herstellung von Gummimischungen mit der Anlage kommt dessen Dispergierwirkung bei minimalem mechanischem Energieeintrag in das Plastifikat zum Tragen [1]. Bei Gummicompounds müssen häufig ausgesprochen hohe Füllstoffanteile (insbesondere auch Ruße und Silikate) sowie Flüssigkomponenten fein dispergiert und verteilt werden. Bedingt durch die 12 Eingriffsbereiche der Extruderschnecken entfaltet der RingExtruder hohe Dehnströmungsanteile in den Zwickeln. Diese können effizient und energiesparend zur Dispergierung genutzt werden. Wichtig ist hierbei der Zusammenhang zwischen Dispergierwirkung und Strömungsform. In diversen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass eine Tröpfchenzerteilung ab einem bestimmten Viskositätsverhältnis zwischen Matrix und Tröpfchen nur noch im Dehnströmungsfeld möglich ist [2-5]. Ein Tröpfchen in einer reinen Scherströmung weicht der Beanspruchung teilweise mit einer Rotationsbewegung aus. Daher ist eine Zerteilung bei solchen Viskositätsverhältnissen nicht möglich und der mechanische Energieeintrag resultiert lediglich in einer unerwünschten Erhöhung der Massetemperaturen. Die Tröpfchenzerteilung ist bei Vorliegen erhöhter Dehnströmungsanteile jedoch nahezu unabhängig vom Viskositätsverhältnis. Außerdem erfolgt die Dispergierung bei wesentlich geringerer mechanischer Materialbeanspruchung. Damit verbessert sich die Dispergierung und gleichzeitig reduzieren sich der spezifische Energieeintrag signifikant und die Massetemperaturen.
Anhand von dreidimensionalen Strömungssimulationen konnte nachgewiesen werden, dass der Dehnströmungsanteil in einem RingExtruder höher ist als in einem Doppelschneckenextruder vergleichbarer Ausstoßleistung [6]. Die erhöhten Dehnströmungsanteile konzentrieren sich dabei in den Zwickelbereichen. Der Vergleich der Maschinentypen unter identischen Bedingungen ergab, über die freie Querschnittsfläche der Prozessräume betrachtet, einen um durchschnittlich 41 % höheren integralen Wert. Dies ist auf die Umlenkung und Kompression des Materials im Zwickelspalt sowie die höhere Anzahl an Zwickeln zurückzuführen. Aufgrund der größeren Schneckenanzahl durchlaufen die Plastifikate die Zwickelbereiche außerdem häufiger. Der Zerteil- und Mischprozess kann in der Anlage effektiver durchgeführt werden, was die Produktqualität bei geringerer Massetemperatur verbessert. Folglich fällt der spezifische Energieeintrag in das Plastifikat [7,8] geringer aus und der Produktionsprozess gestaltet sich erheblich wirtschaftlicher.

Homogene Verteilung der Beimischungen

Im RingExtruder hergestellte Gummimischungen weisen Vorteile bei Artikeln auf, die durch Mikrowellenbestrahlung vernetzt werden. Bei dieser Vulkanisationsmethode absorbieren polare Moleküle die Strahlungsenergie und erwärmen somit das Compound. Dagegen können unpolare Stoffe mittels UHF nicht aufgeheizt werden. Die Absorption schwach polarer oder unpolarer Kautschuke kann allerdings durch Beimischung polarer Polymere oder Füllstoffe, insbesondere aktiver Ruße, erhöht werden. Die Dispergierwirkung des RingExtruders führt zu kleinen Partikel der eingesetzten Füllstoffe und vermeidet die Agglomeratbildung. Gleichermaßen werden feindisperse Morphologien beim Compoundieren von unverträglichen Kautschuktypen mit stark unterschiedlichen Polaritäten erzeugt. Dies verteilt die polaren Mischungsbestandteile gleichmäßig und homogenisiert auch die Strahlungsabsorption im Volumen des Produktes, was eine lokale Überhitzung bei der UHF-Vernetzung verhindert. Dadurch können die Anodenspannungen der Magnetrone merklich erhöht werden. Dies beschleunigt den Vernetzungsprozess beachtlich und steigert so die Produktionseffizienz.

Vergleichsweise große Wärmetauscherfläche

Die Kontrolle der Massetemperaturen spielt bei der Herstellung von Gummimischungen eine zentrale Rolle, um eine Materialdegradation oder ein ungewolltes anvulkanisieren zu vermeiden. Den RingExtruder zeichnet ein hohes Oberflächen/Volumen-Verhältnis aus und damit steht eine große Wärmeaustauschfläche zur Verfügung. Konstruktiv optimierte Bauformen der Extrudergehäuse sowie des zentralen Kerns ermöglichen folglich eine effiziente Kühlung des Verfahrensteils. Weiterhin besteht bei großen RingExtrudern die Möglichkeit, die Schnecken direkt zu kühlen. Die Kühlung kann als offenes oder geschlossenes System (Heat pipe oder Thermosiphon) ausgeführt sein. Auf diese Weise wird die Oberfläche der zwölf Schnecken zur Kontrolle der Massetemperatur nutzbar gemacht. Neben einer Absenkung der Massetemperatur bewirkt die Schneckenkühlung gleichzeitig auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung des Produktes am Austritt des Extruders. Bekanntermaßen tritt bei Extrudern unterschiedlichster Bauart eine lokale Massetemperaturerhöhung im Bereich der Schneckenspitzen auf. Aufgrund der kleineren Schneckendurchmesser sowie der geringeren Umfangsgeschwindigkeiten fallen diese beim RingExtruder systembedingt geringer aus als bei Doppelschneckenextrudern. Durch den Einsatz gekühlter Schnecken können diese Temperaturspitzen zusätzlich signifikant reduziert werden.

Entgasung im Prozessraum

Ein weiterer Unterschied zu den Innenmischersystemen besteht in der Möglichkeit, das Plastifikat im Prozessraum bei Umgebungsdruck oder aber unter Vakuum zu entgasen. Aufgrund der Aufteilung des Massestroms auf die zwölf Schneckenkanäle steht eine große Plastifikatoberfläche bei ausgesprochen kleinen Volumina zur Verfügung. Weiterhin führen die zwölf Eingriffsbereiche der Schnecken zu einer Umschichtung des Materials und somit zu einer hohen Oberflächen-Neubildungsrate. Auf diese Weise kann die in den einzelnen Mischungsbestandteilen enthaltene Feuchtigkeit effizient entfernt werden, so dass ein porenfreies Extrudat sichergestellt wird. Ebenso werden flüchtige Substanzen, welche bei chemischen Reaktionen entstehen können, eliminiert. Dies fördert in vielen Anwendungsfällen die Reaktionskinetik und führt zu verbesserten Produkteigenschaften.

Mischstufen flexibel anpassen

Der Ringextruder wird im Elastomer- bzw. Gummibereich für verschiedene Aufgaben bei der kontinuierlichen Compoundierung eingesetzt. Beim sogenannten „Premixing“ werden neben der Zugabe unterschiedlichster Füllstoffe und Flüssigkeiten teilweise Reaktions- oder Kopplungsprozesse durchgeführt. Im „Final mixing“ werden unter anderem die Vernetzungschemikalien eingemischt, so dass eine beginnende Vulkanisation durch eine sehr akkurate Temperaturführung verhindert werden muss. In diesem Zusammenhang hat sich jedoch wiederholt gezeigt, dass die tolerierbaren Obergrenzen der Massetemperaturen beim RingExtruder höher angesetzt werden können als bei den Innenmischersystemen. Dies liegt darin begründet, dass die Verweilzeiten im Extruder um ein Vielfaches geringer als im Innenmischer sind. Ferner können vergleichsweise dünne Extrudate schneller abgekühlt werden als eine kompakte Gummimasse von mehreren hundert Kilogramm aus einem Innenmischer. Damit lassen sich bei manchen Rezepturen, Kopplungsreaktionen und das Einmischen der Vernetzungschemikalien in einem Schritt durchführen. Wenn erforderlich, können allerdings auch zwei RingExtruder als Kaskadensystem hintereinander geschaltet werden, damit gewisse Teilprozesse auf unterschiedlichen Temperaturniveaus ablaufen können. Die Materialzufuhr in den Extruder erfolgt mittels gravimetrischer Dosiersysteme. Dabei können handelsübliche Geräte für Feststoffe und Flüssigkeiten eingesetzt werden. Diese werden seit Jahrzehnten in der Aufbereitung thermoplastischer Kunststoffe eingesetzt und gewährleisten eine langzeitkonstante Einhaltung der Rezepturvorgaben innerhalb minimaler Toleranzen.

Über den Autor

Dr.-Ing. Michael Erdmann, Leiter Verfahrenstechnik, Extricom, Lauffen a.N.