Conception of a measuring methodology for the degradation behavior of polypropylene and polystyrene in the extrusion process
Final Report Abstract
Das Ziel dieses Forschungsprojektes bestand darin, einen Prüfstand zur Charakterisierung des Abbauverhaltens von Polypropylen und Polystyrol zu entwickeln. Dieser musste zunächst entsprechend den bereits vorliegenden Erkenntnissen entsprechend konzipiert werden. Eine wichtige Größe ist hierbei der benötigte Zeitfaktor für die Materialcharakterisierung, da die Materialparameter für das Abbauverhalten auch innerhalb einer Werkstoffgruppe nicht übertragbar sind und die aktuelle Vorgehensweise sehr zeitintensiv und durch die Verwendung von GPC-Messungen zur Molmassenbestimmung auch nicht wirtschaftlich ist. Der neu konstruierte Prüfstand ist praxisnah ausgelegt. Der zeitliche Rahmen für eine Materialcharakterisierung beträgt etwa einen Tag und es werden keine Hilfsstoffe oder Lösemittel zur Messung des Materialabbaus benötigt. Vielmehr wird die Verringerung der Viskosität als Maß für den Materialabbau verwendet. Hierbei handelt es sich um eine praxisnahe sowie praxisrelevante Materialeigenschaft. Hierdurch wird eine deutlich höhere Praxisrelevanz im Vergleich zum Vorgängerprojekt erreicht. Dieses Ziel wurde erreicht, indem zunächst die Prüfmethode festgelegt wurde. Diese entspricht einem Searle-Rheometer, mit welchem jedoch neben einer Messung der Viskosität auch eine definierte Schädigung eingebracht werden kann. Sowohl der Innen- als auch der Außenzylinder sind temperierbar. Die Geometrie des Innenzylinders wurde mithilfe von CFD-Simulationen derart ausgelegt, dass eine möglichst homogene Belastung der Probe im Scherspalt erreicht wird und ebenso eine hohe Genauigkeit bei der Umrechnung des Drehmomentes in eine Schubspannung erreicht werden kann. Dies ist für eine genaue Berechnung der Viskosität nötig, welche wiederrum als Maß für den Materialabbau verwendet wird. Der Prüfstand wurde im Laufe der Untersuchungen stets weiterentwickelt, sodass mit dem in diesem Abschlussbericht final beschriebenen Prüfstand möglichst reproduzierbare Ergebnisse erzielt werden können. Mit dem fertig konstruierten Prüfstand konnten nun Daten zum Abbauverhalten von Thermoplasten generiert werden. Um eine breite Datenbasis zu haben wurden zunächst zwei Kunststoffe nach einem vollfaktoriellen versuchsplan untersucht. Teil dieser Untersuchungen war darüber hinaus der Einfluss der Prozessparameter auf die Ergebnisse, sodass eine Richtlinie und ein definierter Prozessablauf für eine gute Reproduzierbarkeit hergeleitet werden konnte. Basierend auf den generierten Daten wurde eine Regressionsgleichung hergeleitet, welche im Vergleich zu der Gleichung aus dem Vorprojekt sowohl mit einem Materialparameter weniger auskommt und gleichzeitig für alle untersuchten Kunststoffe eine bessere Genauigkeit bei der mathematischen Beschreibung der experimentellen Daten erreicht. Mit dieser Gleichung konnte untersucht werden, wie groß die Datenbasis für eine gute Regressionsgenauigkeit sein muss. Es hat sich gezeigt, dass auch mit einer kleinen Auswahl von Versuchspunkten eine annährend identisch genaue Regressionsgüte erzielt werden kann. Die Ergebnisse wurden letztendlich für zwei Polypropylene für den Einschneckenextrusionsprozess validiert. Hierzu wurde überprüft, inwieweit der MFI es Extrudates im Vergleich zum Granulat ansteigt und die Prozesse wurden mittels REX analytisch nachsimuliert und basierend auf den Ergebnissen der zu erwartende Abbau nach der Regressiongleichung berechnet. Hier konnte eine gute Übereinstimmung erreicht werden. Insgesamt wurde somit ein Prüfstand konstruiert, mit welchem im Zeitrahmen eines Tages ein Kunststoff auf sein Abbauverhalten in Abhängigkeit der Temperatur, Schergeschwindigkeit und Verweilzeit charakterisiert werden kann. Ebenso wird eine Regressionsgleichung zur Hand gegeben, welche die experimentellen Daten mathematisch wiedergeben kann und somit auch als Vorhersagemodell nutzbar ist. Mit diesem Vorhersagemodell lassen sich beliebige Prozesse simulieren, sodass der zu erwartende Materialabbau bereits in der Prozessauslegung berücksichtigt werden kann.
Publications
- “Design of a test bench for measuring the degradation behavior of plastics during processing”. 36th International Conference of the Polymer Processing Society (PPS-36, Montreal, Canada)
Schöppner, V.; Schall, C.
