Entex-Planetenwalzenextruder. (Bild: Entex)
Traditionell werden viele Gummirezepturen in diskontinuierlichen und mehrstufigen Prozessen gemischt, wobei Innenmischer und Walzwerke für die Kühlung und das Einmischen der Rezepturbestandteile nachgeschaltet werden. Ein Ansatz für die kontinuierliche Aufbereitung mit Vermeidung von Chargenschwankungen und Erhöhung der wirtschaftlichen Effizienz ist der Einsatz eines Planetwalzenextruders (PWE). Dieser besitzt die Fähigkeit im kontinuierlichen Prozess, hochviskose Massen zu mastizieren, zu mischen, zu homogenisieren, Füllstoffe einzumischen und zu dispergieren und die Mischung effektiv zu entgasen. Im Vergleich zum Doppelschneckenextruder, Innenmischer oder anderen Compoundieraggregaten, besitzt der PWE eine größere Energie-Abtauschfläche für einen effizienten Wärmeübergang zwischen Extrudat und Heiz-/Kühlmedium sowie durch die modulare Bauweise eine Vielfalt an möglichen Systemkonfigurationen. Je nach Baugröße und Einsatzweise besteht ein großes Prozessfenster mit skalierbaren Durchsätzen von einigen Kilogramm bis zu weit über zehn Tonnen Material pro Stunde.
Warum der Energieeintrag getrennt werden kann
Durch die scherarme Mischweise und die Temperierung im Walzenzylinder sowie in der Zentralspindel ist die Trennung vom thermischen und mechanischen Energieeintrag möglich. Dies sorgt für eine besonders schonende Aufbereitung mit einer sehr gut steuerbaren Temperaturführung in allen Prozesszonen mit einer Genauigkeit von ±1°C. Die erforderliche Antriebsleistung ist beim PWE in der Regel geringer als bei anderen Mischaggregaten, da der Hauptanteil der Energie thermisch und nicht mechanisch eingebracht wird. Die großen Oberflächen, die sich im Prozessraum des PWEs durch die Evolventenverzahnungen der Bauteile ergeben, stellen eine enorme Energie-Abtauschfläche dar, die im Vergleich zu anderen gängigen Compoundiersystemen, wie Innenmischern oder anderen Extrudertypen, um den Faktor fünf bis zehn größer ist. Dadurch können Massen und Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskositäten und Eingangstemperaturen in einem kontinuierlichen Prozess mit kurzen Durchlaufzeiten intensiv durchmischt, gezielt aufgeheizt und aktiv abgekühlt werden. Dabei kann der PWE mit den Temperiereigenschaften als ein sich selbst reinigender Wärmetauscher und dynamischer Mischer betrachtet werden.
Baukastensystem mit modularem Aufbau
Aufgrund der modularen Bauweise können PWEs individuell entsprechend der jeweiligen Prozessanforderungen konfiguriert werden, um bestimmte Abfolgen von physikalischen und chemischen Prozessschritten nacheinander ablaufen zu lassen. Die Grundtypen von verfügbaren Bausteinen sind:
- Beschickungsbausteine – Einspeisung, Einspritzung, seitliche Einspeisung
- Aufbereitungsbausteine – Entgasung, Entgasung zwischen Modulen, Dispergier- beziehungsweise Zwischenringe
- Austragsvorrichtungen – Runddüse, Strangdüse, Formgebungswerkzeug, Radialgranulierung, Heißabschlag, Schneidvorrichtung
- Messelemente – Inline-Druck-, Temperatur- und -Farbmesssysteme
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Planetwalzenextruder versus Innenmischer
Im Rahmen von Laborversuchen wurden die Compoundier-Ergebnisse identischer Rezepturen für Reifen-Laufflächen miteinander verglichen. Diese wurden mit einem Entex Planetwalzenextruder in einem kontinuierlichen Prozess und mit einem konventionellen Innenmischer im diskontinuierlichen Prozess hergestellt. Bild 3 zeigt den Aufbau für den Compoundierprozess von den Reifen-Laufflächen Mischungen. Die große Herausforderung beim kontinuierlichen Mischprozess ist das Zuführen und Dosieren der einzelnen Rezepturbestandteile. Die Zuführung der Pulver, Flocken und Granulate in das Verfahrensteil des PWEs erfolgt über gravimetrische oder volumetrische Dosiersysteme. Schüttgut, wie beispielsweise der Kautschukballen, muss in kleine Stücke zerkleinert oder gemahlen werden, um eine kontinuierliche Dosierung zu ermöglichen. Beim Zerkleinern/Mahlen wird normalerweise Kieselsäure, Calciumcarbonat oder Talkum zugesetzt und als Trennmittel verwendet, um Verklebungen und Verklumpungen zu verhindern. Es ist auch möglich, Kautschukballen definierter Größe oder Gummistreifen durch einen Fütterextruder einzuspeisen, der mit einer nachgeschalteten Zahnradpumpe verbunden ist, um den Kautschuk volumetrisch in das Verfahrensteil des PWEs zu dosieren. Flüssigkeiten werden bei Bedarf an bestimmten Stellen entweder gravimetrisch oder mit Hilfe von Pumpen und Durchflussmessern eingespritzt. Die Flüssigkeiten können in den Vorratsbehältern erwärmt oder gekühlt werden, um den Prozess besser beeinflussen zu können.
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Das sind die erzielten Ergebnisse
Eine mit Kieselsäure gefüllte Laufflächenrezeptur für Pkw-Reifen wurde sowohl mit dem Planetenwalzenextruder als auch mit einem Innenmischer hergestellt und verglichen.
Das nach dem PWE-Verfahren hergestellte Compound wies eine höhere Mooney-Viskosität, sowie eine bessere bis gleiche Zugfestigkeit und Eis- und Nässe-Traktion auf als das mit dem Innenmischer hergestellte Compound. Gleich sind die hergestellten Mischungen in Bezug auf die prognostizierte Reißfestigkeit, den Rollwiderstand, die Winter-Traktion, den Reibungskoeffizienten unter trockenen, nassen und eisigen Bedingungen sowie die Beständigkeit gegen Risswachstum.
Das kontinuierliche Mastizierverfahren mit dem PWE schien die Dispersion des Füllstoffs (höhere Phillips-Dispersion) und die Dispersion des Vulkanisats (nachgewiesen durch ein höheres Delta-Drehmoment) zu verbessern. Aufgrund des erzielten Eigenschaftsprofils und der Anpassungsfähigkeit des Systems ist der PWE geeignet, um alle Anforderungen an die Verarbeitung einer Laufflächenrezeptur für Gummi-reifen zu erfüllen. Die Technologie ist industriell in modernen, kosteneffizienten und qualitativ hochwertigen Prozessen im Einsatz.
Compounds. (Bild: Entex)
Referenzen
[1] R. Hormuth und L. Wittrock, Massezylinder mit Kolben oder Foerderschnecke zum Spritzen oder Spritzgiessen von thermoplastischen Kunststoffen Patent DE1003948 (1953).
[2] J. Rudloff, M. Bastian, P. Heidemeyer and K. Kretschmer, “Modellierung von Planetwalzenextrudern”, Kunststoffe, Ausgabe 6, S. 55-58 (2011).
[3] Der Planetwalzenextruder, Impulse: Die neue Generation von Planetwalzenextrudern, Unternehmensveröffentlichung, Entex GmbH, Bochum, Germany, 2020.
Quelle: Entex Rust & Mitschke, Bochum
Bildergalerie: Das zweite Leben einer PET-Flasche
