High-Tech-Compounds sicher granulieren

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1 Foto: Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH / Duisburg Abb.1: Wenn Spritzgussteile mit sehr guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit benötigt werden, die gleichzeitig chemisch sehr beständig sind, kommen zur Herstellung Kunststoff- Compounds mit bis zu 90 Prozent Gewichtsanteil Graphit und Ruß in Frage. Als bindendes Polymer kann, je nach geforderter Temperaturbeständigkeit, PP oder PPS eingesetzt werden. Die Herstellung von Compounds aus unterschiedlichen Werkstoffen eröffnet der Kunststoffanwendung Möglichkeiten, die weit über die der reinen Polymere hinaus gehen. Dies gilt vor allem dann, wenn anorganische Materialien, wie Graphit (Abb.1), Keramik oder Glas beigemengt werden. Die Bandbreite ist groß und reicht bis zu Compounds, in denen der Kunststoff nur noch als Bindemittel fungiert. High-Tech-Werkstoffe mit herausragenden Eigenschaften zu entwickeln und Produkte daraus herzustellen, ist der Fokus der Ensinger- Unternehmensgruppe mit Sitz im süddeutschen Nufringen. Aktuelle Beispiele sind elektrisch leitende Polymere der höchsten Effizienzklasse mit einem Graphit- bzw. Ruß-Gehalt von 90 Gewichtsprozent, Wärmeleitpolymere mit 60 Gewichtsprozent Füllstoffanteil oder ein Leichtbauwerkstoff mit 30 Gewichtsprozent Mikro-Glashohlkugeln. Derartige Compounds erfordern besondere Methoden zur Granulatherstellung. Die Problemlösung dafür liefert das Unterwassergranuliersystem des oberösterreichischen Herstellers ECON mit seinem patentgeschützten System der Schmelzeführung. Verarbeitungsverfahren für so genannte technische Polymere zu entwickeln, war die Geschäftsidee hinter der Gründung des Familienunternehmens Ensinger im Jahr Vor allem die Verarbeitung von Hochtemperatur-Polymeren steckte damals noch in den Kinderschuhen. Die Palette der Entwicklungen ist groß. Sie reicht von der Profil-Extrusion, bis zu Spritzgießteilen oder spanabhebend gefertigten Formteilen. Da man sich von Beginn an als Dienstleister und Entwicklungspartner zwischen Rohstoffhersteller und Anwender verstand, war eine individuell abgestimmte Materialkonfektion stets ein wichtiger Teil im Produktspektrum. Der Geschäftsbereich Ensinger-Compounds fertigt die Granulate sowohl für den Eigenbedarf als auch für externe Anwender. Traditionell werden dafür seit mehr als zwei Jahrzehnten Compoundierlinien mit angeschlossenen Stranggranulieranlagen eingesetzt.

2 Hochleistungs-Compounds mit hohem Zusatzstoffmengen Ein Beispiel für Hochleistungs-Compounds, abgestimmt auf Spezialanwendungen, sind detektierbare Materialien. Sie sind mit Metallpartikeln versetzt. Daraus gefertigte Formteile werden beispielsweise in Verarbeitungsmaschinen für Lebensmittel verbaut. Sollten Teile davon in die darauf verarbeiteten Lebensmittel gelangen, lassen sich damit kontaminierte Erzeugnisse noch in der Produktionslinie durch Metalldetektoren aufspüren und in Folge ausschleusen. Ein anderes Beispiel sind speziell auf hohe Wärmeleitfähigkeit getrimmte Compounds, z.b. auf Basis von PA, PC, PPS, PEEK und PP. Neben der Wärmeleitung kann das Compound Aufgaben als elektrischer Isolator übernehmen, aber auch als elektrischer Leiter konzipiert sein. Im ersteren Fall werden bis zu 60 Gewichts-prozent pulverförmige keramische Füllstoffe zugegeben, im zweiten Fall zusätzlich Graphit, Ruß, Kohlefasern oder Metalle. Während die elektrisch isolierenden Wärmeleiter vor allem in der Elektronikindustrie verwendet werden (z.b. für Kühlkörper), ist ein wichtiges Einsatzgebiet der elektrisch leitfähigen Variante der Einsatz als Flächenwärmetauscher. Compounds mit optimierter elektrischer Leitfähigkeit finden u.a. in der Brennstoffzellentechnik Verwendung, konkret in der Spritzgussfertigung von Bipolarplatten für PEM-Brennstoffzellen (Polymer- Elektrolyt-Membran, Abb.2). Die dafür eingesetzten Compounds bestehen zu mehr als 80 Gewichtsprozent aus Kohlenstoff, was 35 bis 50 Volumenprozent entspricht. Deren Kunststoff- Komponente ist entweder PP (für die Niedertemperatur-Anwendung) oder PPS (für den Hochtemperatur-Einsatz). Weitere Anwendungsbeispiele sind Compounds für Leichtbauanwendungen mit einem hohen Gehalt an Mikro-Glashohlkugeln. Darüber hinaus beschäftigt sich Ensinger auch mit tribologisch modifizierten Compound- Spezialitäten auf der Basis von Hoch- Foto: Zentrum für Brennstoffzellentechnik GmbH / Duisburg Abb.2: Produktbeispiele aus Kunststoffcompounds mit 80 bis 90 Gewichts- Prozent Kohlenstoff-Anteil sind Bipolar-Platten für Brennstoffzellen. temperaturkunststoffen. Sie entstehen durch die Kombination mit klassischen Verstärkungsstoffen und Reibung reduzierenden Additiven, wie PTFE, Graphit und Silikonöl.

3 Hoher Füllstoffanteil erfordert spezielle Granuliertechnologie Dass ein Kunststoffcompound mit steigendem Nicht-Kunststoff-Anteil zunehmend dessen Eigenschaftsspektrum annimmt, liegt in der Natur der Sache. Von besonderer Bedeutung ist in diesem Zusammenhang die mit steigendem Graphit- oder Keramikanteil deutlich erhöhte Wärmeleitfähigkeit. Ein Begleiteffekt ist die Zunahme der Sprödigkeit eines Schmelzestranges mit steigendem Anteil an anorganischem Material. Dem entsprechend setzt die schnellere Abkühlung und Versprödung des Materials im Wasserbad der Verarbeitung auf einer Stranggranulieranlage natürliche Grenzen. Dazu Thomas Widmann, Leiter der Compound-Fertigung bei Ensinger: Die Grenze des Zusatzstoff-anteils liegt dort, wo die Flexibilität und die Festigkeit der Kunststoff-Komponenten nicht mehr ausreichen, den Zusammenhalt eines abgezogenen Materialstrangs stabil sicherzustellen. Durch Variation der Verfahrensparameter können wir die Grenzen bei der Stranggranulierung in gewissem Maße verschieben, jedoch führt dies in jedem Fall zu einem geringeren Durchsatz. Somit ist der Break- Even zur Unwirtschaftlichkeit relativ bald erreicht. Um dennoch die von zahlreichen Industriesparten benötigten Spezialmaterialien anbieten zu können, mussten wir uns nach einer Verfahrensalternative umsehen. Lose Kontakte zum österreichischen Unternehmen ECON und ein Referenzbesuch bei einem langjährigen Anwender der ECON-Unterwasser-Granuliertechnik taten ein Übriges. Dessen Erfahrungen überzeugten uns, so dass wir uns für die Anschaffung einer Anlage vom Typ EUP (ECON Underwater Pelletizer) 50 mit einer Ausstoßleistung von 75 kg Granulat pro Stunde entschlossen. Die Innovation des ECON-Düsenssystems Der Vorteil des ECON-Unterwasser- Granuliersystems basiert auf einer besonders effizienten Wärmetrennung zwischen den Schmelzedüsen Grafik: ECON Abb.3: Das funktionsentscheidende tech- und der direkt mit dem Kühl- bzw. Spülwasser in Kontakt stehenden Lochplatte (Abb.3). An der Kontaktstelle können Temperaturunterschiede zwischen der Wasser- und der Schmelzetemperatur von bis zu 300 C gegeben sein und zu einem Einfrieren einzelner oder aller Extrusionsstränge führen. Um dem entgegen zu wirken, sieht das ECON-Konzept eine konstruktive Entkopplung der einzelnen Strangdüsen und der Lochplatte vor (patentierte thermische Trennung ). Die Kontaktfläche zwischen den heißen Düsen und der gekühlten Düsenplatte ist dabei auf ein Mini- nische Merkmal des ECON-Granuliersystems ist patentierte Wärmetrennung in der Düsenplatte des Granulierkopfes. Rot dargestellt ist die Extruderseite, blau die Wasserseite mit der Granulierkammer und dem Rotor.

4 mum reduziert, entsprechend ist der Wärmeabfluss aus den Düsenkörpern in das Prozesswasser bzw. den umgebenden Düsenkörper (Abb.4a + 3b). Da die Wärme in der Schmelze nahezu stabil gehalten werden kann, können auch Compounds mit extrem hoch eingestellter Wärmeleitfähigkeit Grafik: ECON Abb.4a+b: Gegenüberstellung des Temperaturverlaufs im ECON-Granulierkopf (links) mit einem Wettbewerbskonzept (rechts). Während bei ECON die minimale Anlagefläche zwischen den Austrittsdüsen für die Schmelzestränge und der durch das Prozesswasser gekühlten Lochplatte ein Abfließen der Wärme ins Kühlwasser verhindert, wird bei einem Wettbewerbskonzept deutlich mehr Wärme abgeleitet. (bis zu 30 W/mK) sicher verarbeitet werden. Es ist kein Überheizen des Düsenkopfes notwendig. Die Besonderheit des ECON- Düsenkonzepts ist, dass auch Compounds mit einer um den Faktor 150 geringeren Wärmeleitfähigkeit von lediglich 0,2 W/mK verarbeitet werden können, ohne das dazu Modifikationen vorgenommen werden müssen. Die isolierte Schmelzeführung bewirkt zusätzlich, dass kein wesentlicher zusätzlicher Druckaufbau zur Kompensation von Schmelze-Viskositätserniedrigung durch Wärmeabfuhr erforderlich ist. Dies kommt der Granulatgrößenkonstanz zu Gute. (Abb.5) Foto: Ensinger Abb.5: Die von Ensinger eingesetzte Unterwasser-Granuliereinheit vom Typ EUP (ECON Underwater Pelletizer) 50 ist für eine Ausstoßleistung von 75 kg Granulat pro Stunde ausgelegt. Hervorragende Energiebilanz Da in das Prozesswasser nicht zusätzliche Wärme aus dem Düsenkopf übertragen wird, muss es in Folge weniger gekühlt werden. Die Heizenergie verbleibt weitgehend im Düsenkopf, somit kann im Vergleich zu alternativen Systemen bis zu 70 Prozent Heizleistung eingespart werden, eine beeindruckende Energiebilanz.

5 Flexibel in jeder Hinsicht Das ECON-System ist im konkreten Anwendungsfall nicht nur prozesssicherer als eine Stranggranulierung, sondern auch kompakter (Abb.6). Konkret benötigt sie rund 30 bis 50 Prozent weniger Aufstellfläche. Da keine Stränge durch ein langes Wasserbad geführt werden müssen, ist sie auch einfacher zu bedienen. Durch einfaches Auswechseln der Lochplatteneinheit und der Siebe im Granulattrockner ist ein Produktwechsel innerhalb kürzester Zeit möglich. Im konkreten Fall haben die Foto: Ensinger Techniker auf das höhere Verschleißpotenzial der hochgefüllten Compounds von Ensinger Rücksicht genommen und den Rotor im Granulattrockner mit einer Hartmetallbeschichtung versehen. Zudem wurde ein Granulatsieb in gehärteter Ausführung eingebaut. Abb.6: Die ECON Granulieranlagen zeichnen sich durch eine sehr kompakte Bauform in Kombination mit dem Rotor-Granulattrockner aus. Resümee Nach Abschluss einer sechsmonatigen Testphase, in der die gesamte Bandbreite an Compound-Innovationen mit maximalen Füllstoffgehalten durchgespielt worden war, kann der Kunde eine Erfolgsbilanz ziehen (Abb.7). Hans Peter Koch, Vertriebs- und Marketingleiter bei Ensinger Compounds: Auch nach über 20 Jahren Compoundierund Granuliererfahrung gab es für uns noch neue Möglichkeiten in diesem Metier zu entdecken, die in enger Zusammenarbeit mit der ECON-Technik erfolgreich in unsere Produktion integriert werden konnten. Wir sind nunmehr in der Lage, viele in der Vergangenheit für unmöglich gehaltene Materialkombinationen realisieren zu können. Und da wir großes Potenzial bei diesen Nischenprodukten sehen, wird die erste UWG sicherlich nicht die letzte in unserem Betrieb sein. Foto: Ensinger Abb.7: Nach Abschuss der 6-monatigen Einführungsphase ziehen die Projektverantwortlichen sichtlich zufrieden Bilanz. Vlnr Andreas Schmid, Leiter Verfahrenstechnik der Ensinger GmbH, ECON- Gebiets-Verkaufsleiter Alexander Datzinger, Thomas Widmann, Produktionsleiter der Ensinger GmbH und Ensinger-Compounds-Vertriebs- und Marketingleiter Hans-Peter Koch Kontakt bei ECON GmbH Ing. Alexander Datzinger Tel.: +43 (0) Kontakt bei Ensinger Compounds Mag.(FH) Hans Peter Koch Vertriebsleiter Tel.: +43 (0) Autor: Reinhard Bauer TECHNOKOMM

6 über Ensinger GmbH Adresse Ensinger Compounds Geschäftsbereich der HP Polymer GmbH Werkstraße 3, A-4860 Lenzing Tel. +43/7672/ Das Familienunternehmen Ensinger mit der Firmenzentrale in Nufringen bei Stuttgart beschäftigt sich mit der Entwicklung, Fertigung und dem Vertrieb von Compounds, Halbzeugen, Profilen und technischen Teilen aus Konstruktions- und Hochleistungskunststoffen. Ensinger bedient sich einer Vielzahl von Herstellungsverfahren, v.a. Extrusion, mechanische Bearbeitung und Spritzgießen. Aktuell umfasst die Ensinger-Firmengruppe 26 Fertigungsstandorte in 15 Ländern in Europa, Asien und Amerika, an denen rund 2000 Mitarbeiter einen Umsatz von rund 330 Mio. EUR (2011) erwirtschaften. Ensinger Compounds ist ein Geschäftsbereich der zur Ensinger-Gruppe gehörenden HP Polymer GmbH und beliefert u.a. die Branchen Automotive, Lebensmitteltechnik, Maschinen- und Apparatebau sowie die Luft- und Raumfahrtindustrie und Elektrotechnik. Das Unternehmen betreibt einen der modernsten und flexibelsten Compoundierbetriebe in Europa. In dem 2009 errichteten Werk ist auch eine Produktion im Reinraum möglich. Die Produkte werden unter der Handelsbezeichnung TECACOMP angeboten. über ECON GmbH Adresse: ECON GmbH, Biergasse 9, A-4616 Weißkirchen / Traun Tel.: +43 (0) office@econ.eu Die 1999 gegründete ECON GmbH ist auf die Entwicklung und Erzeugung von Peripherieeinrichtungen für Extrusionsanlagen spezialisiert. An erster Stelle stehen Granulieranlagen, sowohl zur Verarbeitung von Neuals auch für Recyclingware. Das Angebot umfasst Unterwasser-Granulieranlagen und Granulat-Trocknungsstationen samt den Einrichtungen zur Wasseraufbereitung. Ergänzend werden Siebwechseleinrichtungen zur Schmelzefiltrierung angeboten. Abgerundet wird das Erzeugungsprogramm durch ein Programm an Pyrolyseöfen zur schonenden thermischen Reinigung von Anlagenkomponenten. ECON verfügt über ein dichtes Vertriebs- und Servicenetzwerk in allen wichtigen Industrieländern. ECON- Unterwassergranulieranlagen sind mittlerweile in 20 Ländern auf drei Erdteilen in Betrieb.