Compoundierung von naturfaserverstärkten Kunststoffen

Compoundierung von naturfaserverstärkten Kunststoffen -mit gleichläufigen Doppelschneckenextrudern B.Eng. Dijan Iliew Webinarreihe des IfBB unter der Leitung von Prof. Dr. -Ing. Hans-Josef Endres China Hopsen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 1

1. COMPOUNDIERMÖGLICHKEITEN 2. AUFBAU UND AUFGABEN EINES EXTRUDERS 3. EINFLUSSGRÖßEN BEIM COMPOUNDIEREN 4. NATURFASERN 5. MATRIX UND ADDITIVE 6. AUFBAU DER VERFAHRENSEINHEIT 7. BEISPIEL 8. FAZIT

1. Direktextrusion und 2-Stufen-Prozesse für naturfaserverstärkte Kunststoffe (vorbehandelte) Rohmaterialien (Thermoplastmatrix, Naturfasern, Funktionsadditive) Heiz-Kühl-Mischer Gleichläufige Doppelschneckenextruder Agglomerat Granulat Schmelzepumpe Granulat Spritzgießcompounder Gegenläufige Doppelschneckenextruder Spritzgießmaschine Folie, Platte, Profil Formteil Abb. nach KraussMaffei Berstorff GmbH Direktextrusion: Produktherstellung aus einer Wärme Erfordert eine erneute Aufschmelzung = zweistufiger Verarbeitungsprozess bis zum Produkt / Halbzeug Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 3

1. EXTRUSIONSMÖGLICHKEITEN 2. AUFBAU UND AUFGABEN EINES EXTRUDERS 3. EINFLUSSGRÖßEN BEIM COMPOUNDIEREN 4. NATURFASERN 5. MATRIX UND ADDITIVE 6. AUFBAU DER VERFAHRENSEINHEIT 7. BEISPIEL 8. FAZIT

2. Gleichläufige Doppelschneckenextruder und ihre Aufgaben beim Compoundieren Schmelzefließrichtung KraussMaffei Berstorff GmbH 1. Thermomechanische Aufschmelzung von petrochemischen und biobasierten fließfähigen Polymeren 2. Vereinigung von kompatiblen oder inkompatiblen Polymeren zu homogenen Polymerblends 3. Austreibung von flüchtigen Bestandteilen durch kontrollierte Entgasung 4. Einfärben von Polymeren 5. Einarbeitung von Funktionsadditiven zur gezielten Eigenschaftsmodifizierung 6. Verstärkung und Füllung von Kunststoffen mit z.b. Glas-, Kohle-, und Naturfasern oder Partikeln Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 5

3. Prozesseinstellung und Prozesswirkung Resultierende Größen Direkt steuerbare Größen Gesamtdurchsatz Schneckendrehzahl Schnecken- und Gehäuseaufbau Gehäuse-SOLL-Temperatur Produktgeometrie Produktrezeptur und -eigenschaften Als Einstellgrößen anzusehen! Schneckendrehmoment Schmelzetemperatur Komponentenmischgüte Gehäuse- IST-Temperatur Entgasungsleistung Aufschmelzverhalten Verweilzeitverteilung Einzugsverhalten Geruch, Aussehen Produkt-Restfeuchte Schmelzedruck Als Prozessgrößen anzusehen! Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 7

4. Einsatz von Naturfasern beim Compoundieren Fasern aus natürlichen Polymeren Pflanzenhaare Bastfasern / Stängelfasern z.b. Baumwolle / Kapok z.b. Flachs / Hanf / Jute Pflanzliche Fasern Halmfasern Blattfasern z.b. Manila / Banane Fruchtfasern z.b. Sisal / Kokos Hartholz z.b. Eiche / Buche Holzfasern Weichholz z.b. Fichte / Kiefer Pflanzenfasern bestehen überwiegend aus: Cellulose Tierische Hemicellulose Fasern Lignin Pektin Wolle und Haare Seide Mineralische Fasern Ab 200 C beginnt der thermisch bedingter Abbau z.b. Schaf / Kamel / Ziege z.b. Maulbeer / Tussah z.b. Asbest Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 9

4. Einsatz von Naturfasern beim Compoundieren Entscheidende Vorabkenntnisse bei Naturfasern Schüttgutdichte Ligningehalt Fasermorphologie Restfeuchte Dosierschwankungen bei niedriger Schüttgutdichte Volumenbegrenzter Faserdurchsatz an der Seitendosierung Spezifischer Eigengeruch nach Verarbeitung (Abwendungsbereich) Verfärbungsgrad Partikelgrößenverteilung Verstärkung nur wenn Fasereigenschaften besser als Matrix sind Agglomerate Messung und Berücksichtigung von Faserrestfeuchtegehalt Entgasungsbegrenzter Extrusionsprozess Fasertrocknung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 10

5. Einsatz von Naturfasern beim Compoundieren Auswahl von geeigneten Matrices Matrix Thermoplaste mit Schmelzbereiche 200 C geringere Naturfaserschädigung Mögliche Thermoplaste: Polypropylen, Polyethylen oder Polylactid Benetzungsvermögen der Matrix muss gegeben sein Wirkung durch die Naturfasern Erhöhung der Sprödigkeit durch Naturfasern Absenkung der Fließeigenschaften z.b. Reduzierung des Gewichts vom Bioverbundwerkstoff Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 12

5. Einsatz von Naturfasern beim Compoundieren Auswahl von geeigneten Funktionsadditiven Funktionsadditive - Haftvermittler Cellulosebasierte Naturfasern sind polar, Kunststoffe oft unpolar Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen Kunststoff- und Naturstoff zur Entwicklung einer Miteinander - Funktionalität Faser Matrix Grenzflächenverhalten durch Haftvermittler beeinflussen Anteil an Haftvermittler ist rezepturspezifisch Kraftübertragung auf Faser Maleinsäureanhydrid gepfropfte Additive äußert wirkungsvoll Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 13

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Auswahl der Schneckenelemente a) Stoffe aufnehmen b) Feststoffe und Schmelze fördern a) Plastifizieren b) Einarbeiten von Fasern / Füllstoffen c) Mischen a) Einmischen von Flüssigkeiten b) Distributives Mischen c) Homogenisieren Schneckenaufbau muss sehr spezifisch an die Naturfasern anhand von Funktionszonen angereiht werden! Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 15

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Einzug Funktion Einziehen von festen Komponenten Zu beachten! Schneckenelemente mit hohem freiem Volumen (hohe Gangsteigung und Gangtiefe) Gehäusetemperatur unter Schmelzetemperatur der Komponenten Naturfasern nie in die Füllzone geben! Einzugsvermögen ist volumenbegrenzt. Einzug Förderrichtung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 16

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Plastifizierung Funktion Polymer und ggf. Additive aufschmelzen und vordispergieren Zu beachten! Aufschmelzverhalten ist materialspezifisch (Aufschmelzenthalpie) Schneckenkonfiguration- und Drehzahl ausschlaggebend Aufschmelzverhalten ist abhängig vom spezifischen Füllgrad Nur soweit plastifizieren, bis eine vollständige Schmelze vorliegt! Aufschmelzzone Einzug Förderrichtung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 17

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Naturfasereinbringung und Entgasung Funktion Zugabe von Füll- und Verstärkungskomponenten Atmosphärische Rückwärtsentgasung Zu beachten! Restfeuchtegehalt beim Dosiervorgang mitkalkulieren Veränderung der Schmelzeviskosität Schneckenelemente mit hohem freiem Volumen Naturfaserdurchsatz ist volumen- und entgasungsbegrenzt Förderrichtung NF-Zugabe und Entgasen Aufschmelzzone Einzug Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 18

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Naturfasereinmischung und homogenisierung Funktion Einarbeitung der Fasern Distributives und dispersives Vermengen Zu beachten! Schneckenelemente mit geringer Scherwirkung u. hoher Mischwirkung Ausreichende Verfahrenslänge zur Einarbeitung Förderrichtung Dispergierzone NF-Zugabe und Entgasen Aufschmelzzone Einzug Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 19

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Passive und aktive Entgasung Funktion Entgasen von Wasserdampf Ableiten niedermolekularen, flüchtigen Anteilen Zu beachten! Hinreichend hohe/r Verweilzeit und Vakuumdruck ( Schmelzeschaum ) Ausreichend große Entgasungsöffnung (Bezug zur Viskosität) Schlechte Entgasung auch an kollabierte (platte) oder aufgeschäumte Schmelzestränge erkennbar Förderrichtung Aktive und passive Entgasungszone Dispergierzone NF-Zugabe und Entgasen Aufschmelzzone Einzug Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 20

6. Aufbau der Verfahrenseinheit für Naturfasercompoundierung Funktionszone: Druckaufbau Funktion Austrag der Schmelze Druckaufbau zur Überwindung des erzeugten Werkzeugdrucks Zu beachten! Hohe Rückstaulänge viel Masseanhäufung höherer Energieeintrag Ziel: Reduzierung der Energieeinleitung Druckaufbau Abgabe an Schmelzepumpe Düsenwerkzeug / adaptierte Schmelzepumpe Druckaufbau Aktive und passive Entgasungszone Dispergierzone NF-Zugabe und Entgasen Aufschmelzzone Einzug Förderrichtung Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 21

7. Beispiel-Aufbau mit Prozessparametrierung Rezeptur und Einstellungen 10-50 Gew.-% Naturfasern inkl. Faserrestfeuchtigkeit 50-90 Gew.-% Polypropylen < 5 Gew.-% Haftvermittler 5-15 Gew.-% Modifikatoren Seitendosierer 180 C 190 C 190 C 200 C 200 C 50 C Förderrichtung Maschineneinstellung: Schneckendrehzahl Extruder = 100-600 min -1 Schneckendrehzahl Seitendosierer = 50-600 min -1 Periphere Maschinerie: Vakuumpumpe Unterwassergranuliereinheit mit Schmelzepumpe (oder Wasserbad mit Stranggranulierer) Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 23

8. Fazit Naturfasern bringen Feuchtigkeit in den Prozess Durchsatzlimitierung Naturfasern verändern optische und olfaktorische Eigenschaften des Compounds Nicht jede Kunststoffmatrix ist für die Verarbeitung geeignet Kunststoffe mir Schmelzbereichen/-temperaturen bis 200 C einsatzfähig Extrusionstechnische Verarbeitung erfordert spezielles Wissen bzgl. Aufbau und Parametrierung Aufbau von definierten Funktionszonen Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de Seite 25

Veranstaltungshinweis Abschlusstagung Verarbeitung von Biokunststoffen Termin: 09. November 2017 Veranstaltungsort: Berlin Quelle: IAP Inhalte: Austausch zwischen Verarbeitern, Herstellern und Verbundpartnern Vorstellung einer Idee zur nachhaltigen Bereitstellung von Verarbeitungsdaten für Konstrukteure und Verarbeiter von Biokunststoffen Gemeinsame Diskussion der Idee mit Vertretern der Wirtschaft (ALBIS PLASTICS GmbH, BASF SE und EVONIK) Weitere Informationen finden Sie in dem Kalender unter: http://verarbeitungsprojekt.ifbb-hannover.de/de/veranstaltungen.html

Weiterführende Links I Termine und Veranstaltungen http://www.ifbb-hannover.de/de/termine-veranstaltungen.html Homepage des Instituts http://www.ifbb-hannover.de/ Häufig gestellte Fragen zu Biokunststoffen (FAQ) http://www.ifbb-hannover.de/de/faqs.html Veröffentlichung: Bioplastics Facts & Statistics 2016 http://www.ifbb-hannover.de/files/ifbb/downloads/faltblaetter&broschueren/biopolymers-facts- Statistics_2016.pdf Forschungsprojekte des Instituts Termine & Veranstaltungen http://www.ifbb-hannover.de/de/forschungsprojekte.html Datenbank zur Verarbeitung von Biokunststoffen http://www.biokunststoffe-verarbeiten.de/ Verbundvorhaben Verarbeitung von biobasierten Kunststoffen http://verarbeitungsprojekt.ifbb-hannover.de/ Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de

Weiterführende Links II Bisherige Webinar-Aufzeichnungen http://www.ifbb-hannover.de/de/webinare.html Newsletter bestellen https://ifbb.wp.hs-hannover.de/subscriptions/subscribe.php?lang=de Externer Link M-Base Biopolymerdatenbank http://biopolymer.materialdatacenter.com/ Hochschule Hannover IfBB Institut für Biokunststoffe und Bioverbundwerkstoffe www.ifbb-hannover.de