Modellierung des Materialabbaus von Polypropylen auf dem gleichläufigen Doppelschneckenextruder
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Zielsetzung des durchgeführten Forschungsprojekts bestand darin, Handlungsempfehlungen für die materialschonende Verarbeitung von Polypropylen auf dem Doppelschneckenextruder zu entwickeln und somit Zeit- und Kostenreduktionen beim Anwender zu ermöglichen. Zu Beginn des Projekts wurden für die geplanten Grundlagenuntersuchungen zwei PP-Typen mit unterschiedlicher Viskosität ausgewählt. Des Weiteren wurde die Messmethodik festgelegt. Als Einflussgrößen der experimentellen Untersuchungen wurden die Parameter Drehzahl, Durchsatz, Temperatur und Schneckenkonfiguration definiert, Zielgröße sollte die gewichtsmittlere Molmasse sein. Die Gestaltung einer Auswerteroutine sollte die Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleisten. Im Vorfeld der Materialabbauuntersuchungen wurde eine Reproduzierbarkeitsanalyse durchgeführt. Diese stellte durch die Ermittlung der Mess- und Prozessstreuung die Reliabilität der Ergebnisse sicher. Um die Wirkung der zuvor definierten Einflussgrößen auf das Abbauverhalten bestimmen zu können, wurde ein vollfaktorieller Versuchsplan erstellt und auf dem Doppelschneckenextruder abgefahren. Die hergestellten Proben wurden anschließend hinsichtlich ihrer Schmelzefließrate untersucht und diese wiederum rechnerisch in die gewichtsmittlere Molmasse überführt. Es zeigte sich, dass hohe Drehzahlen, geringe Durchsätze und hohe Massetemperaturen den Materialabbau verstärken. Im Vergleich zu diesen Faktoren hat die Schneckenkonfiguration einen eher geringen Einfluss auf das Abbauverhalten. Dies bedeutet für den Anwender, dass nahezu beliebige Schneckenelemente nach der Aufschmelzzone genutzt werden können. Da für zwei Polypropylen-Typen mit unterschiedlichem Fließverhalten übereinstimmende Auswirkungen auf den Materialabbau festgestellt wurden, kann von einer allgemeinen Gültigkeit der Handlungsempfehlungen für Polypropylen ausgegangen werden. Die erzielten Ergebnisse wurden in einer weiterführenden Untersuchung mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) verifiziert. Dies ermöglichte auch die Analyse der Molmassenverteilungen. Demnach erfolgt der Materialabbau hauptsächlich durch Kettenspaltung längerer Ketten. Für die mathematische Beschreibung des Materialabbaus wurde das von LITTEK ET AL. [LSD+16a, LSD+16b] für den Einschneckenextruder entwickelte Modell modifiziert. Es ermöglicht die Bestimmung der Molmassenreduktion in Abhängigkeit der Parameter Schergeschwindigkeit, Verweilzeit und Temperatur. Die mittlere prozentuale Abweichung der modellierten Molmassenquotienten von den zuvor mithilfe der MFR-Werte ermittelten Molmassenquotienten liegt bei 7,15%. Das entwickelte Modell liefert somit eine gute Vorhersage des Materialabbaus von Polypropylen auf dem Doppelschneckenextruder und wurde daher in die Simulationssoftware SIGMA implementiert. Für die Zukunft ist eine Erweiterung des Modells auf industrielle Maschinengrößen und verschiedene PP-Compounds geplant.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Materialabbau im Doppelschneckenextruder, Zeitschrift Kunststoffe, 12/2020, S. 36-39
Schöppner, V. & Altepeter, M.
