Verarbeitung von PET auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern zur Erlangung des akademischen Grades eines DOKTORS DER INGENIUERWISSENSCHAFTEN (Dr.-Ing.) der Fakultät Maschinenbau der Universität Paderborn genehmigte Dissertation von Dipl.-Wirt.-Ing. Tobias Herken aus Herford Tag des Kolloquiums: 15.01.2016 Referent: Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner Korreferent: Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Heim
Schriftenreihe Institut für Leichtbau mit Hybridsystemen Band 14/2016 Tobias Herken Verarbeitung von PET auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern D 466 (Diss. Universität Paderborn) Shaker Verlag Aachen 2016
Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Zugl.: Paderborn, Univ., Diss., 2016 Copyright Shaker Verlag 2016 Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen Wiedergabe, der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen und der Übersetzung, vorbehalten. Printed in Germany. ISBN 978-3-8440-4358-7 ISSN 2196-2200 Shaker Verlag GmbH Postfach 101818 52018 Aachen Telefon: 02407 / 95 96-0 Telefax: 02407 / 95 96-9 Internet: www.shaker.de E-Mail: info@shaker.de
Kurzfassung Im Rahmen dieser Arbeit erfolgt eine Betrachtung des Verarbeitungsprozesses von PET auf einem gleichläufigen Doppelschneckenextruder. Ziel ist es, die Einflüsse von Geometrie- und Verfahrensparametern auf den Materialabbau anhand der intrinsischen Viskosität zu beurteilen und Handlungsempfehlungen für die materialschonende Compoundierung zu entwickeln. Dazu werden zum einen unterschiedliche Aufschmelzzonen, Da/Di-Verhältnisse, Nenndurchmesser und Entgasungsvarianten untersucht und zum anderen die Verfahrensparameter für jene Geometriekombinationen variiert. Basierend auf den Ergebnissen können allgemeine und spezifische Handlungsempfehlungen definiert werden. Neben der materialschonenden Compoundierung werden in einem zweiten Kapitel strukturiert verfahrenstechnische Möglichkeiten zur Optimierung der Druckaufbauzone herausgearbeitet. Hier wird neben dem Einfluss der Verfahrensparametern und der geometrischen Auslegung erstmals auch der Einfluss der Schneckenspiele auf den Druckaufbau anhand von 3D-Simulationen quantifiziert. Aufbauend auf den Ergebnissen werden Auslegungsrichtlinien definiert. Im letzten Teil der Arbeit wird ein neues Temperaturmodell für den gleichläufigen Doppelschneckenextruder vorgestellt. Dieses kann neben dem axialen Temperaturverlauf auch das radiale Temperaturprofil berechnen. Die hohe Berechnungsqualität des neuen Modells wird anhand von experimentellen Untersuchungen gezeigt.
Abstract This project investigates the processing of PET on a co-rotating twin-screw extruder. The aim is to assess the influences of geometric and processing parameters on material degradation via the intrinsic viscosity, and to develop recommendations for non-destructive compounding. In order to do so, different melting zones, Da/Di ratios, nominal diameters and degassing variants are investigated, and the processing parameters are varied for every possible geometry combination. Based on the results, general and specific recommendations for further actions can be defined. Apart from non-destructive compounding, the second chapter deals with the identification of possible procedures for optimizing the pressure build-up zone. Here, alongside the influences of processing parameters and geometric design, the influence of screw clearances on the pressure build-up is quantified via 3D simulation for the first time. Based on the results, design guidelines are defined. The last chapter of this paper introduces a new temperature model for twin-screw extruders. This is able to calculate not only the axial but also the radial temperature profile. The high calculation quality of the new model is illustrated with the help of experimental investigations.
Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe für Kunststoffverarbeitung an der Universität Paderborn in den Jahren 2011 bis 2015. Besonderer Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Volker Schöppner für seine kontinuierliche Unterstützung, die wertvollen Anregungen und insbesondere für das entgegengebrachte Vertrauen. Ein Teil der Ergebnisse wurden durch das Gemeinschaftsforschungsprojekt SIGMA finanziert und begleitet. Den teilnehmenden Unternehmen danke ich für ihre großzügige Unterstützung. Weiterhin gilt mein Dank allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Kunststofftechnik Paderborn für die gute und vor allem angenehme Zusammenarbeit. Insbesondere den Herren H. Hörmann, P. Kloke und T. Hallmann danke ich für die vielen anregenden Diskussionen. Den zahlreichen Bachelor- Master- und Diplomarbeitern, sowie den studentischen Hilfskräften sei an dieser Stelle ebenfalls gedankt, da ohne ihren Einsatz die Arbeit in diesem Umfang nicht hätte entstehen können. Insbesondere bei den Herren M. Hüttner, N. Fecke, M. Pohl und J.-U. Walter möchte ich mich für die gute Zusammenarbeit und ihr großes Engagement bei den experimentellen Untersuchungen bedanken. Die Untersuchungsreihen wurde in enger Zusammenarbeit mit den Entwicklungsabteilungen der Firma KraussMaffei Berstorff und der Firma Reifenhäuser durchgeführt. Hier möchte ich mich nochmal ausdrücklich bei G. Scheel, A. Madle und T. Appeldorn für die Unterstützung und die eingebrachte Expertise bei der Planung und Durchführung der experimentellen Untersuchungen bedanken. Die Strömungssimulationen wurden mit großer Unterstützung der Firma IANUS Simulation durchgeführt. Hier gilt mein besonderer Dank F. Platte und O. Mierka, die die Planung, Durchführung und Analyse in hohem Maße begleitet und unterstützt haben. Abschließend möchte ich mich bei meiner Familie, meiner Freundin A. Funk und meinen Freunden B. Schlüter, S. Weige, F. Schröder und D. Hilje für die großartige Unterstützung und die vielen schönen Momente bedanken. Tobias Herken Paderborn 2016
Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung... 1 2 Stand der Technik... 3 2.1 Geometrie des gleichläufigen Doppelschneckenextruders... 4 2.2 Materialabbau... 9 2.3 Abbaumechanismen... 13 2.3.1 Rein thermischer Abbau... 13 2.3.2 Thermisch-oxidativer Abbau... 15 2.3.3 Thermisch-mechanischer Abbau... 16 2.3.4 Hydrolytischer Abbau... 16 2.4 Materialabbau bei PET... 17 2.5 Bestimmung der intrinsischen Viskosität... 18 3 Experimentelle Untersuchungen zum Materialabbau von PET... 21 3.1 Allgemeine Untersuchungen zum Materialabbau von PET... 21 3.1.1 Versuchsstand... 22 3.1.2 Schnecken und Zylinderkonfiguration... 23 3.1.3 Verfahrensparameter und Entgasungsvariationen... 24 3.2 Untersuchung verschiedener Da/Di-Verhältnisse und Anlagengrößen auf den Materialabbau... 26 3.2.1 Versuchsstand zur Untersuchung des Da/Di-Verhältnisses... 26 3.2.2 Schnecken und Zylinderkonfigurationen... 28 3.2.3 Verfahrensparameter... 28 3.3 Untersuchung der Mess- und Prozessstreuung... 30 3.3.1 Statistische Methoden zur Ermittlung der Prozess- und Messstreuung 31 3.3.2 Messstreuung... 35 3.3.3 Prozessstreuung... 39 3.4 Auswertung der Untersuchungsergebnisse... 43 3.4.1 Variation der Entgasungsformen und Prozessparameter... 43 3.4.2 Einfluss der Zylinder- und Schmelzetemperatur... 48 3.4.3 Einfluss unterschiedlicher Füllgrade in der Entgasungszone auf den Materialabbau... 49
II Inhaltsverzeichnis 3.4.4 Einfluss des Da/Di-Verhältnisses... 51 3.4.5 Einfluss unterschiedlicher Nenndurchmesser... 54 3.4.6 Einfluss der Druckaufbauzone... 56 3.5 Handlungsempfehlungen und Ausblick... 57 4 Optimierung einer Druckaufbauzone... 60 4.1 Druckaufbau auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern... 61 4.2 Analytische Betrachtung des Druckaufbauvermögens... 63 4.2.1 Analytische Herleitung des Druckaufbauvermögens Identifikation der wesentlichen Geometrieparameter... 66 4.2.2 Optimierung der Verfahrens- und Geometrieparameter zur Steigerung des Druckaufbauvermögens... 71 4.3 3D-CFD Simulationen... 74 4.4 Gegenüberstellung der Modelle und experimentelle Verifikation... 79 4.4.1 Extruderdurchmesser 70 mm... 80 4.4.2 Extruderdurchmesser 25 mm... 85 4.5 Einfluss der Schneckenspiele auf das Druckaufbauvermögen... 91 4.5.1 Simulationsplan zur Bestimmung des Spieleinflusses... 91 4.5.2 Einfluss des Spiels zwischen Schnecke und Zylinder... 92 4.5.3 Einfluss des Spiels zwischen den Schneckenwellen... 95 4.5.4 Einfluss der Spiele für eine Anlage mit einem Nenndurchmesser von = 70 mm... 99 4.6 Handlungsempfehlung und Schlussfolgerung... 100 5 Untersuchung verschiedener Modelle zur Berechnung des axialen Temperaturverlaufs... 103 5.1 Historische Entwicklung... 104 5.2 2D-Temperaturmodell für den Einschneckenextruder... 107 5.3 Übertragung des 2D-Modells auf den gleichläufigen Doppelschneckenextruder... 112 5.4 Verifikation... 119 6 Zusammenfassung und Ausblick... 128
Inhaltsverzeichnis III 7 Symbolverzeichnis... 136 7.1 Lateinische Symbole... 136 7.2 Griechische Symbole... 140 8 Literaturverzeichnis... 143 9 Anhang... 153 10 Liste der Vorveröffentlichungen... 179 11 Lebenslauf Dipl.-Wirt.-Ing. Tobias Herken... 180