DE10214654B4

DE10214654B4 - Verfahren zur Herstellung natur-und/oder synthesefaserverstärkter Compounds mittels Doppelschneckenextruder

Info

Publication number: DE10214654B4
Application number: DE10214654A
Authority: DE
Inventors: Rene Bayer
Original assignee: Individual
Current assignee: Coperion GmbH
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: DE10214654A1

Abstract

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Compounds aus fließfähigem Kunststoff und endlichen Natur- und/oder Synthesefasern mittels Doppelschneckenextruder,
wobei ausgehend von den handelsüblichen Lieferformen der Ausgangsmaterialien (Fasern, Polymer) bis zum fertigen Compoundprodukt (Granulat, Platte oder Halbzeuge, Formteile) in einem komplexen Verfahrensprozess behandelt werden, indem
– kompaktierte Fasern mittels Öffnungseinrichtung geöffnet, unter Luftförderung über ein Metallabscheidungssystem und nachfolgend durch eine Faserabscheidungseinrichtung gekoppelt mit einer Entstaubungseinrichtung geführt und dann einer Dosiereinrichtung zugeführt werden, oder
– lose Fasern, mittels Aufgabestation direkt einer Dosiereinrichtung zugeführt werden,
– die nach a oder b behandelten Fasern in einer gravimetrischen Dosiereinrichtung durch Doppelrührwerk aufgelockert und mittels drehzahlgesteuerten Doppelstiftwalzen kontinuierlich dosiert werden und nachfolgend über eine Faseraufgabeeinrichtung unter Unterdruck kontinuierlich in die Förderschneckengänge einer Doppelschnecke eingebracht und einem Extruder nach der Plastifizierzone und vor der Mischzone mittels Zwangsführung zugeführt und bei einer Extruderdrehzahl > 400 ¹/min compoundiert werden,
– Polymer, Füllstoff und Additive über eine...

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Compounds aus fließfähigem Kunststoff und endlichen Natur- und/oder Synthesefasern mittels Doppelschneckenextruder, ausgehend von den handelsüblichen Lieferformen der Ausgangsprodukte (Fasern, Polymer) bis hin zum fertigen Compoundprodukt (Granulat, Platte oder Halbzeug) in einem komplexen Verfahrensprozeß. Dabei werden die Fasern kontinuierlich aufbereitet, dosiert und dem Extruder zugeführt und dort mit Polymer compoundiert. Endprodukt des Verfahrens ist entweder ein Granulat, eine Platte oder ein anderes Halbzeug. Durch die spezielle Kombination von textil- und kunststofftechnischen Vorrichtungen und Maschinen ist es möglich, Natur- und Synthesefasern mit schlechter bis mäßiger Rieselfähigkeit zu einem faserverstärkten Compound in wirtschaftlichen Durchsätzen in einen Verfahren herzustellen, indem das Verfahren für die material-spezifischen Besonderheiten in den einzelnen Verfahrensschritten speziell ausgelegt wird.

Bekannt ist, dass kurzfaserverstärkte Compounds durch die Compoundierung von rieselfähigen Verstärkungsfasern (vorrangig Glas- und Kohlenstofffasern) und dem jeweiligen Matrixmaterial mit Hilfe eines Extruders hergestellt werden. Die Verstärkungsfasern können dem Extruder als endliche Fasern in Form von textilem Kardenband, geschnittenen Faserbündeln oder gemahlenen Kurzfasern zudosiert werden. Aus der DE 198 22 051 C1 ist eine Dosiervorrichtung für Kurzschnittfasern mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit bekannt. Hierbei ist die Handhabung (Prozeßtransport, Dosierung und Faseraufgabe) der Verstärkungsfasern sehr stark von der Faseraufmachung (Faserlänge, Stärke der Faserbündel u.a.) abhängig, um die Rieselfähigkeit, stabile Dosierung und Faseraufgabe in den Extruder zu gewährleisten. Dazu werden die Verstärkungsfasern aus der Verpackungseinheit (Oktabin, Sack oder Big Bag) gegebenenfalls über Vorbehälter einer Schnecken- oder Vibrationsdosierung aufgegeben und dann anschließend durch das gezielte Abrieseln der Verstärkungsfasern von der Dosierung indirekt über eine konventionelle Seitenfüttereinrichtung oder einen Beistellextruder bzw. direkt der Hauptschnecke des Extruders zugeführt. Nach der Compoundierung der Materialien im Extruder erfolgt der Materialaustrag über Strangdüsen zu Strängen, die nach Passieren einer Strangkühleinrichtung mittels Stranggranulator zu Granulat geschnitten werden. Eine Unterwassergranulierung von abrasiven faserverstärkten Compounds (z. B. Glasfasern) ist aus Verschleißgründen wirtschaftlich nur begrenzt möglich.

Eine Stranggranulierung von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds ist verfahrenstechnisch sensibel und auf Grund der rauhen Granulatoberfläche, welche eine schlechte Rieselfähigkeit und hohe Wasseraufnahme des Granulates bewirkt, im technischen Maßstab problematisch.

Die biegesteifen spröden Glas- und Kohlenstofffasern werden dem Extruder auch als Endlosfasern in Form von Rovings über Benetzungs- und Einzugsvorrichtungen dem Extruder zugeführt. Durch die Scherwirkung der Schnecken erfolgt eine Einkürzung der endlos zugeführten Verstärkungsfasern. Gleichzeitig werden die Verstärkungsfasern in der Polymerschmelze verteilt und mit dem Matrixmaterial benetzt. Eine Übertragung des Verfahrens auf die Compoundierung mit flexibleren Natur- und Synthesefasern ist auf Grund der hohen Agglomeratneigung dieser Fasern im Compound nicht relevant, da biegeweiche Fasern gegenüber biegesteifen Fasern geringe Neigung zur Faserlängeneinkürzung und hohe Agglomeratneigung im Extruder besitzen, so dass die biegeweichen Fasern vor der Compoundierung einer Vorzerkleinerung bedürfen.

Nur mit Stopfwerken ist es bisher möglich, Natur- und Synthesefasern mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit (aufgelöst bis zur Einzelfaser, mittlere Faserlänge > 2mm) ohne Hilfsmaterialien (Hilfsgranulat, Bindemittel) dem kontinuierlichen Compoundierprozeß im Extruder zuzuführen. Hierbei besitzen die Stopfwerke bei der Aufgabe von Natur- und Synthesefasern, die während der Compoundierung nicht aufschmelzen sollen, den Nachteil, dass durch den Aufgabedruck es zur Faseragglomeratbildung im Extruder kommt, was sich negativ auf die Prozeßstabilität und die Materialeigenschaften auswirkt.

Weiterhin ist bekannt, dass Natur- und Synthesefasern für die Compoundierung mittels Kompaktierung mit und ohne Bindemittel riesel- und dosierfähig ausgerüstet werden. Hierbei bewirkt der zusätzliche Aufbereitungsprozeß ein schlechtes Auflösungsverhalten der kompaktierten Fasern in der Schmelze, was sich negativ auf die Homogenität und das mechanische Eigenschaftsniveau von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds auswirkt.

Die Herstellung von Faserkonzentraten für die Compoundierung mittels Agglomerator hat ebenfalls negative Auswirkungen (Agglomeratbildung) auf die Verstärkungsfasern und ist durch den zusätzlichen Verfahrensschritt mit zusätzlichen Kosten verbunden.

Das deutsche Gebrauchsmuster DE 200 20 480 U1 "Kugelfasergranulat aus Natur- bzw. Synthesefasern und thermoplastischer Matrix" beinhaltet den Schutz der Granulatform von kugel- bis ameiseneiförmiger Gestalt. Die DE 199 34 377 A1 zur Herstellung eines polyesterverstärkten Polypropylens mittels Doppelschnecken-extruder gibt lediglich an, welche Rezepturen mit einem Doppelschneckenextruder gefahren werden können.

Des weiteren wird in vielen wissenschaftlichen Veröffentlichungen eine schonende Verarbeitung bei möglichst niedriger Verarbeitungstemperatur und geringer Drehzahl des Extruders, verbunden mit hohem Schmelzedruck, beschrieben. Das kontinuierliche Herstellungsverfahren von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds mittels Doppelschneckenextruder aus mäßig bis schlecht rieselfähigen Natur- und Synthesefasern und thermoplastischer Matrix ist nach Stand der Technik bisher nicht möglich.

[Aufgabe der Erfindung]

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds mit thermoplastischer Matrix mittels Doppelschneckenextruder, ausgehend von den handelsüblichen Lieferformen der Ausgangsprodukte (Fasern bis 15 mm Faserlänge: Ballen , kartoniertes Großgebinde und Sack; Polymer: Big Bag, Oktabin, Sack) bis hin zum fertigen Compoundprodukt (Granulat, Halbzeug) in einem Verfahrensprozeß entwickeln, in dem die Fasern kontinuierlich aufbereitet, dosiert und dem Extruder zugeführt und dort mit Polymerschmelze im Extrusionsraum compoundiert und als Compound zu rieselfähigem Granulat granuliert oder zu Halbzeugen extrudiert werden. Die so hergestellten natur- und/oder synthesefaserverstärkten Granulate sollen sich auf konventionellen Kunststoffverarbeitungsmaschinen im Spritzguß, durch Extrusion und Plastifizier-Press-Verfahren, sowie die Platten im Heißpressverfahren verarbeiten lassen.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Besondere Ausgestaltungen des Verfahrens sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Nach Erkenntnissen des Erfinders sollte die Herstellung von Natur- und/oder Synthesefasercompounds bei mittleren bis hohen Drehzahlen (> 400 U/min des Extruders) zur Erlangung wirtschaftlicher Durchsätze mit einer Schneckenauslegung für geringe partielle Schmelzedrücke und kurze Verweilzeit (5-20s) der Fasern im Extruder erfolgen. Hierbei besitzt die Schmelzetemperatur einen untergeordneten Einfluß gegenüber kurzen Verweilzeiten auf die Compoundeigenschaften.

Es werden dabei Fasern mit gleichen oder unterschiedlichen Faserlängen bis 15mm und deren Einzeltitern bis 200dtex eingesetzt, wobei die Fasern rund oder modifiziert (profiliert, hohl, gefüllt) sind und/oder Naturfasern mit oder ohne Ausrüstung (Faserschlichte, Aivage) sind. Nachfolgend wird das Verfahren anhand der schematischen Darstellungen Verfahrenszeichnung 1, 2 und 3 näher erläutert.

Aufbereitung der Faser für die Compoundierung

Bei der Compoundierung von Natur- und/oder Synthesefasern ist, ausgehend von den verschiedenen Lieferformen der Gebinde, keine konventionelle Materialvorbereitung wie bei Granulaten, Additiven oder Füllstoffe möglich. Hierbei ist es erforderlich, die Fasertypen für die Materialvorbereitung je nach Lieferform wie folgend zu unterscheiden.

A.) Kompaktierte Fasern in Form von Faserballen A1) Ballenöffner A2) Ballenfräse A3) Schredder mit Mühle
B.) Lose Fasern, die vorrangig im kartonierten Großgebinde oder im Sack angeliefert werden

Variante A: Kompaktierte Fasern

Die wirtschaftlichste Form für Transport und Lagerung von Fasern ist die gepreßte Ballenform (400–1000kg) und besonders bei großen Fasermengen üblich. Hierbei sind die Faserballen stark verdichtet und je nach Faserform und Typ (besonders bei Naturfasern) ohne Hilfsmittel nur schwer aufzubrechen.

Von den angelieferten Faserballen werden Verpackungsmaterial und Stahlbänder entfernt. Als erster Verfahrensschritt bei kompaktierten Fasern muss die Öffnung [I] zur Vorbereitung des Fasermaterials für die Compoundierung erfolgen. Die Öffnung der Faserballen sollte einen separaten Standort besitzen, da das Öffnen (besonders bei Naturfasern), je nach Faserqualität, mit einer Staubentwicklung verbunden ist, und der Staub aus sicherheitstechnischen Gründen mittels Aspiration [XVI] abgesaugt werden sollte. Die kompaktierten Faserballen können je nach Fasermaterial nach verschiedenen Verfahren für die Compoundierung vorbereitet und geöffnet werden.

A1) Ballenöffner

Die vorgelegten Faserballen werden durch eine Ballenöffneranlage zu Fasern und Faserbrocken abgearbeitet. Nach dem Öffnungsvorgang der Fasern werden diese über eine Rohrleitung mit Metallabscheider für Fremdmaterial mittels Ventilator zur nachfolgenden Station gesaugt. Der Einsatz von Ballenöffnern ist bei kleinem und mittlerem Faserdurchsatz und für Faserlängen im oberen Längenbereich der Kurzschnittfasern vorteilhaft.

Je nach technischer Ausrüstung der Ballenöffneranlage mit oder ohne Wägeeinrichtung zur Faserdurchsatzreglung kann die Faserübergabe an verschiedenen Verfahrenspositionen zur Compoundierung erfolgen (Entstaubungsvorrichtung bzw. nachgeschalteter Faserabscheider oder bei Faserdurchsatzreglung direkt auf die Faseraufgabe des Extruders). Bei Ballenöffneranlagen ohne Durchsatzreglung erfolgt der Verfahrensweg immer über eine Faserdosierung und ist bei hohen Qualitätsansprüchen an die Compounds immer zu empfehlen.

A2) Ballenfräse

Die Faserballen werden durch eine Ballenfräsanlage zu Fasern und Faserbrocken abgearbeitet. Hierbei hat der Einsatz von Ballenfräsen den Vorteil, das sie gegenüber Ballenöffnern für einen größeren Bereich von Kurzfaserlängen im Einsatz flexibler sind, Fasermischungen von verschiedenen Chargen ermöglichen und hohe Faserdurchsätze realisieren können. Das abgefräste Fasermaterial wird über eine Rohrleitung mit Metallabscheider für Fremdmaterial mittels Ventilator zur Compoundieranlage gesaugt.

Je nach technischer Ausrüstung kann eine Ballenfräsanlage mit oder ohne Wägeeinrichtung zur Faserdurchsatzreglung ausgerüstet sein. Die Faserübergabe kann je nach Ausrüstungsstand an verschiedenen Verfahrenspositionen zur Compoundierung erfolgen, wie beim Ballenöffner unter A1 beschrieben.

A3) Shredder mit Mühle

Eine weitere Möglichkeit zur Ballenöffnung ist die Verwendung einer Kombination von Shredder mit Mühle. Diese Variante stellt eine Alternative zu Ballenöffner bzw. Ballenfräse dar, insbesondere wenn diese Technik im Betrieb verfügbar ist, sie ist jedoch mit mehr Verfahrensaufwand verbunden.

Die Faserballen werden durch den Shredder vorzerkleinert und anschließend in einer Schneid- oder Hammermühle aufgelöst. Das geöffnete Fasermaterial wird von der Mühle über eine Rohrleitung mit Metallabscheider mittels Ventilator zur Compoundieranlage abgesaugt. Die Übergabe des Fasermaterials erfolgt mit einem Ventilator an die Entstaubungseinrichtung oder an den nachgeschalteten Faserabscheider zur weiteren Aufbereitung für die Faserdosierung.

Varinate B: Lose Fasern

Der Einsatz von losen Fasern in nicht kompaktierter Form (Sack, kartoniertes Großgebinde) ist vorrangig bei Kleinmengen von Synthesefasern üblich. Hierbei können die Fasern per Hand mittels Sackaufgabe oder mit Schüttvorrichtungen auf die Dosierung, gegebenenfalls mit Vorratsbehälter und Austragselement, aufgegeben werden.

Entmetallisierung [II]

Zur störungsfreien Herstellung von Natur- und/oder Synthesefasercompounds ist es empfehlenswert, eine Metallseparierung mittels Permanentmagneten oder besser Allmetallabscheider in den Faseraufbereitungsprozess zur Compoundierung zu installieren. Hierbei hat sich die Integrierung der Metallabscheidung in die Saugleitung zum Fasertransport zwischen Faseröffnung und Faserausgabe technisch bewährt. Besonders bei der Verarbeitung von Naturfasern mit einem Faseröffnungprozess können Fremdmetalle oder metallische Verschleißrückstände der Anlagen in den Fasermengenstrom gelangen.

Entstaubung [III]

Für die weitere Prozessfolge ist es von Vorteil, wenn die geöffneten Fasern einer kontinuierlichen Faserentstaubung unterzogen werden. Die Faserstäube werden in der Entstaubungseinrichtung aus dem Materialstrom ausgeschleust und über eine Entsorgungsleitung einem Filter zugeführt. Besonders bei Naturfasern können durch die Verarbeitung und verschiedenartige Qualitäten Faserstäube auftreten, die in Luftmischungen explosiven Charakter besitzen. Nach der Entstaubung der Fasern erfolgt die Faserübergabe von der Entstaubungseinrichtung an den Faserabscheider.

Faserabscheidung [III]

Zur Abscheidung der Fasern am Ende der Rohrleitung ist es erforderlich den Faser-Luft-Strom aufzutrennen. Je nach Bauart des Materialabscheiders (Faserabscheider oder Kondenser) werden die Fasern durch einen Ventilator eingeblasen oder gesaugt. Hierbei kann die Trennung von Luft und Fasern kontinuierlich an einer Siebfläche erfolgen. Hierbei tragen die Faserabscheider zur Entstaubung der Faser bei, so dass die staubige Abluft einer Filteranlage zugeführt werden sollte. Zur Bestückung der Differential-Faserdosierwaage muß der kontinuierliche Materialabscheidevorgang in eine diskontinuierliche Prozessführung umgewandelt werden, indem entweder das Fasermaterial in einen Vorratsbehälter mit Austragselement für die Faserdosierung transportiert wird oder über einen Absperrklappenkasten ein diskontinuierliches Bestücken der Faserdosierung erfolgt.

Faserdosierung [IV]

Für eine produktionsstabile und rezepturgetreue Compoundierung ist eine gravimetrischen Dosierung der Fasern erforderlich. Auf Grund der mäßigen bis schlechten Rieselfähigkeit von Natur- und Synthesefasern sind herkömmliche Glasfaserdosierungen zur Compoundierung nicht geeignet. Geeignete gravimetrische Faserdosierungen sind z. B. die Dosiervorrichtung für Schnipsel und Fasermaterial (siehe nachveröffentlichte DE 101 21 034 A1 )) und die Dosiervorrichtung für Kurzschnittfasern ( DE 198 22 051 C1 ). Die Faserdosierung erfolgt, indem das Fasermaterial vom Faserabscheider in die Dosierung gegebenenfalls mit Vorratsbehälter und Austragselement abgeworfen wird. Zur Faserdosierung hat sich besonders die Dosiervorrichtung nach DE 101 21 034 A1 bewährt, da durch gegenläufigen Rührer und Dosierwalzen der kürzeste Förderweg der Fasern ohne Richtungsänderung in der Dosierung durchlaufen wird. Unterhalb der Dosierwalzen befinden sich Abstreifelemente, die die Restfasern von den Dosierwalzen abstreifen. Hierbei erfolgt ein senkrechter Faseraustrag bei geringem Förderdruck des Fasermaterials. Die Dosierelemente (Stiftwalzen) müssen je nach Fasertyp und Faserlänge mit dazugehörigen Abstreifern auf das Fasermaterial angepaßt werden. Nach Abwurf des Fasermaterials in den Trichter erfolgt die Materialübergabe mittels Rohrleitung an die Faseraufgabe.

Polymer, Additive und Füllstoff [V]

Die Matrix-Polymere, Additive und Füllstoffe werden je nach Lieferform aufbereitet und mit konventioneller Technik über Vorbehälter und Dosierung [VII] dem Extruder im Einzug bzw. über eine Seitenfüttereinrichtung zugeführt.

Faseraufgabe [VI]

Auf Grund der Eigenschaften von Natur- und Synthesefasern mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit und Neigung zur Knäuel- und Brückenbildung sind Standardausführungen von Seitenfüttereinrichtungen und Beistellextrudern zur Aufgabe auf den Extruder nicht geeignet.

Die Faseraufgabe ist eine Vorrichtung zur Zwangszuführung für Schnipsel und Kurzschnittfasern (siehe nachveröffentlichte DE 102 01 869 A1 ) mittels Luftstrom in die Schmelze des Extruders. Hierbei werden die Natur- und Synthesefasern nach Abwurf von der Faserdosierung durch einen Luftstrom erfasst und in die Förderschnecke gesaugt. Unterhalb der Schneckenfläche wird der Material- Luftstrom durch eine Trennebene (Sieb) getrennt und die Luft aus dem Gehäuse abgesaugt. Die drehenden Förderschnecken kämmen das Fasermaterial auf der Trennebene ab und fördern es in die seitliche Öffnung des Extruder. Des weiteren trägt die Faseraufgabe durch die Trennebene (Sieb) zur Entstaubung der Fasern bei, so dass die abgesaugte staubige Abluft einer Filteranlage zugeführt werden kann. Die Maschenweite der Trennebene muss je nach Faserlänge und Titer an das Fasermaterial angepasst werden. Diese Vorrichtung zur Faseraufgabe kann an vorhandene Seitenfüttereinrichtungen bzw. Beistellextruder angebaut werden.

Compoundierung [VII]

Die Herstellung der Compounds kann auf temperaturgeregelten Ein- und Mehrschneckenextrudern erfolgen, besonders Doppelschneckenextruder mit gleichsinnig drehenden Schnecken und deren gute Mischungseigenschaften sind geeignet. Bei der Compoundierung von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds erfolgt die Vorgehensweise für die fließfähigen Matrixpolymere (Thermoplasten, thermoplastischen Elastomere und Duromere), Additive und Füllstoffe nach allgemein bekannten Verfahren.

Die Matrix-Polymere, Additive und Füllstoffe werden je nach Lieferform aufbereitet und mit konventioneller Technik über Vorbehälter und Dosierung dem Extruder im Haupteinzug bzw. in eine seitliche Öffnung mit Seitenfüttereinrichtung zugeführt. Nach der Plastifizierung des Polymers erfolgt stromabwärts die Zuführung der Natur- und Synthesefasern vor der Mischzone über die seitliche Öffnung mittels Faseraufgabe. In der Mischzone (z.B. Knetblöcke oder MP-Mischelemente) werden die Natur- und/oder Synthesefasern mit Polymerschmelze benetzt und vermischt. Für die Compoundierung ist es von Vorteil, dass nach Plastifizierzone und Mischzonen eine atmosphärische Entgasung [XV] des Materials im Schneckenraum erfolgt. Zum Abstau des Materials im Extrusionsraum vor der Vakuumentgasung empfehlt es sich, keine intensiven Scher-Mischelemente im abgestauten Bereich einzusetzen und den Abstau durch förderneutrale Elemente (z.B. Blister oder Mischkammer mit MP-Elemente) zu realisieren. Nach der Vakuumentgasung erfolgt stromabwärts der Druckaufbau für die Austragung des Compounds auf den Extruder.

Bei hybridverstärkten gefüllten Natur- und/oder Synthesefaser-Compounds mit Füllstoff (z.B. Talkum) muss die Aufgabe der Fasern vom Füllstoff getrennt an unterschiedlichen Aufgabepositionen des Extruders erfolgen. Hierbei sollte der Füllstoff den längeren Compoundierweg im Extruder besitzen und die Fasern erst weiter stromabwärts zugegeben werden. Bevorzugt sollten für solche hybridverstärkten Compounds Extruder mit zwei seitlichen Öffnungen (1. Seitenaufgabe: Füllstoff; 2. Seitenaufgabe: Fasern) zum Einsatz kommen. Bei Extrudern mit nur einer seitlichen Öffnung werden die Fasern in die seitliche Öffnung gegeben und die Füllstoffaufgabe erfolgt auf den Haupteinzug, hierbei sind der Füllstoffmenge aber verfahrenstechnische Grenzen gesetzt.

Druckaufbau [VIII]

Bei hoher Schmelzevikosität und hohen Füllgraden der Schmelze ist es von Vorteil, eine handelsübliche Schmelzepumpe (z.B. Zahnradschmelzepumpe) zwischen Extruder und Unterwassergranulator (UWG) bzw. Formdüse für die Halbzeugherstellung einzusetzen. Hierbei wird der Extruder durch eine gesteuerte Schmelzepumpe beim Druckaufbau entlastet, welche eine schonende Verarbeitung der Fasern durch Minimierung der Friktrationswärme in der Schmelze bewirkt. Des weiterem werden Druck- und Durchsatzschwankungen vor der Granulierung oder Halbzeugherstellung ausgeglichen. Die Schmelzepumpe soll kurze Fließwege vom Extruder zum UWG (Unterwassergranulator) bzw. Formdüse für die Halbzeugherstellung realisieren, um die Verweilzeit der Compounds bei den Verarbeitungstemperaturen möglichst kurz zu halten.

Granulierung [C] [IX]

Die Granulierung der Natur- und/oder Synthesefasercompounds kann mittels handelsüblichem Wasserring- oder Unterwassergranulator erfolgen. Empfehlenswert ist die Variante mittels Unterwassergranulator (UWG), da Compounds mit klebrigen Schmelzeeigenschaften verarbeitet werden können und die Granulierung der Compounds unter Ausschluss von Luftsauerstoff erfolgt. Eine Minimierung der oxidativen Schädigung ist besonders bei Naturfasercompounds vorteilhaft. Die Unterwassergranulierung erfolgt, indem die Schmelze durch die kreisförmig angeordneten Bohrungen einer Lochplatte gepresst und in einem direkt an der Lochplatte vorbeigeführten Wasserstrom von Messern zu Granulat geschnitten wird. Zum Anfahren der Granulierung ist es vom Vorteil, mit einem Anfahrventil zu arbeiten, welches direkt vor der Lochplatten angebunden werden soll. Das Granulat wird im Kühlwasserstrom in einer Rohrleitung zum Trockner geführt, im Trockner das Kühlwasser vom Granulat getrennt und in den Prozeß zurückgeführt. Weiterhin ist es empfehlenswert, den UWG mit einem Agglomeratfänger auszustatten, der die Agglomerate vor dem Trockner aus dem Granulatwasser entfernt und mit einem Prozesswasserfilter (z.B. Feinst-Bogensieb) danach, der polymere und faserförmige Feinstteile aus dem Prozesswasser abtrennt.

Verpackung [X]

Nach Austritt des Granulats aus dem Trockner erfolgt der Transport (z.B. Wendelförderer, pneumatische Förderleitung) an die Verpackungseinrichtung (Absackanlage, Oktabin- oder Big Bag Befüllungsstation).

Halbzeug: z.B. Platte [D]

Die Natur- und/oder Synthesefasercompounds können auch im Inline-Prozess verarbeitet werden, indem an den Extruder eine Formdüse [XI] (Breitschlitzdüse) zum Austragen von Schmelzeband angebaut wird. Hierbei ist es von Vorteil, wenn zwischen Extruder und Breitschlitzdüse eine Schmelzepumpe integriert wird, um einen schonenden und gleichmäßigen Schmelzeaustrag aus der Breitschlitzdüse zu ermöglichen. Die Extrusion zu Plattenware kann nach den Verfahrensprinzipien Glättwerk, Auma-Verfahren oder Doppelbandpresse mittels konventionellen Plattenanlagen [XII] erfolgen. Der Fließweg vom Extruder zur Austragsöffnung der Breitschlitzdüse sollte bautechnisch kurz gehalten werden, um eine geringe Verweilzeit der Compounds im Schmelzsystem zu gewährleisten. Die mechanischen Eigenschaften von Platten aus Natur- und/oder Synthesefasercompounds nehmen mit zunehmendem Verfahrensdruck bei der Plattenverformung zu, so dass unter wirtschaftlichen und verfahrenstechnischen Kriterien das Auma-Verfahren empfohlen wird.

Bei diesem erfolgt die Aufgabe der Schmelze von der Breitschlitzdüse auf das Druckband der unteren Umlenkrolle. Das Produkt wird anschließend durch Rotation des Druckbandes der Heiztrommel zugeführt. Durch den gleichzeitigen beidseitigen Druck (bis 150 N/cm²) auf das Schmelzeband zwischen Heiztrommel und Druckband erfolgt die kontinuierliche Glättung und Verdichtung des Produktes von beiden Seiten. Anschließend erfolgt die Umlenkung des Produktes an der oberen Umlenkrolle. Es durchläuft danach eine Kühleinrichtung und anschließende Konfektionierung [XIII] und Verpackung [XIV] zum fertigen Halbzeug "Platte".

Je nach Verwendungszweck können die Platten aus Natur- und/oder Synthesefasercompounds auch mittels Coextrusion oder Beschichtung mit Folien oder textilen Flächengebilden im Prozess der Plattenherstellung veredelt werden. Des weiteren kann die Herstellung von Profilhalbzeugen aus Natur- und/oder Synthesefasercompounds im Inline-Extrusionsprozess erfolgen. Auch das kontinuierliche Ablegen der Schmelze von natur- und/oder synthesefaserverstärkten Compounds und anschließendem diskontinuierlichen Pressvorgang ist zur Herstellung anderer Halbzeuge, mit und ohne Oberflächenveredlung, geeignet.

Ausführungsbeispiel 1: Naturfaser-Compoundierung 25 Gew.-% flachsfaserverstärktes PP-Compound (PP+25%Flachs) Die Verfahrenserfindung ist in Verfahrenszeichung 2 schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel 1 wird die kontinuierliche Herstellung eines naturfaserverstärkten Compounds näher erläutert. Die Verfahrensschritte sind mit römischen Zahlen sowie die wichtigsten Verfahrenselemente mit arabischen Zahlen und Bezugszeichenliste nummeriert. Die Compoundierung erfolgt auf einem gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder (Typ ZE 50, Fa. Berstorff) mit einen Durchsatz von 350kg/h und einer Extruderschneckendrehzahl von 600 U/min. Es werden folgende Ausgangskomponenten eingesetzt:
73 Gew.-% PP-Homo (MVI 32 cm³/10min bei 230°C/2,16 kg)
25 Gew.-% Flachsfasern (6–8mm Faserlänge, 4-8tex Einzeltiter)
1 Gew.-% Calziumstearat
1 Gew.-% maleinsäuremodifiziertes Montanwachs
(Haftvermittler)
Die Dosierung von Matrixpolymer und Additiven erfolgt nach allgemein bekannter Verfahrensweise und wird mittels Dosierungen [18] in den Einzug [19] des Extruders aufgegeben.
Von den angelieferten Ballen (ca. 600 kg) aus Flachsfasern werden Verpackungsmaterial und Stahlbänder beseitigt. Zum Öffnen der kompaktierten Fasern erfolgt die Aufgabe mittels Gabelstapler auf den Vorlagetisch [1] eines modernisierten Ballenöffners CS (Fa. Trützscher, mit dichtbesetzten Nadeln am Steiglattentuch [2]).
Nach Öffnen des Ballens und Abstreifen der Fasern durch die Abschlagswalze [3] vom Steiglattentuch fallen die Fasern in den Füllschacht. Vom Schacht [4] werden die Fasern über eine Rohrleitung (120mm Durchmesser) mit Metallabscheider [5] gesaugt. Der Ventilator [7] zum Saugen der Fasern befindet sich im nachgeschalteten Kondenser (Typ LVSAB Fa. Temafa) in den die Fasern für den Vorratsbehälter mit Klappenkasten [9] aus dem Luftstrom abgeschieden werden. Hierbei werden im Kondenser die Faser auf die Fasersiebtrommel [6] gesaugt, von der Fächerwalze [8] abgenommen und in der Vorratsbehälter abgeworfen.
Der Ballenöffner besitzt nur Geschwindigkeitsstufen, so dass der Öffnungsvorgang des Ballenöffners für den Fasermengenstrom durch einem Füllstandsmelder im Vorratsbehälter [9] geregelt wird.
Bei Öffnungsvorgang und im Kondenser erfolgt eine Entstaubung der Flachsfasern, wobei die staubhaltige Abluft aus brandschutztechnischen Gründen abgesaugt und einer Aspiration [26] zugeführt wird.
Der Abwurf der Fasern durch den Klappenkasten auf die gravimetrische Dosierung erfolgt nach Anforderungssignal der Dosierwaage durch Erreichen des minimalen Faserfüllgewicht der Waage. Bei der gravimetrischen Dosierung handelt es sich um einen Eigenbau einer Vorrichtung nach DE 101 21 034A1 für die Faserdosierung mit Rührer [10] und Dosierwalzen [11] ohne zusätzliche Abblasluft aus den Abstreifelementen [12].
Der Abwurf der Faser aus der Dosierung erfolgt in einen offenen Fasertrichter [13] mit Rohrleitung zur Faseraufgabestation auf den Extruder.
Die leichten Fasern mit schlechter Rieselfähigkeit werden mittels Luftstrom von Gebläse zwangsweise zur Vorrichtung der Faseraufgabe mit Rührer [14] gesaugt. Die Faseraufgabe auf den Extruder ist eine Vorrichtung für Schnipsel und Kurzschnittfasern nach DE 102 01 869 A1 und ist im vorliegenden Fall eine Eigenbauvariante. Das Sieb als Trennebene [16] für Luft- und Faserstrom unterhalb der Förderschnecken [15] in der Faseraufgabe hat für die 6–8 mm langen Flachsfasern eine Maschenweite von 1200 μm, der Luftstrom wird durch ein angeflaschtes saugendes Gebläse [17] unterhalb der Trennebene erzeugt und trägt zusätzlich zur weiteren Entstaubung der Naturfasern bei. Die Drehzahl der Förderschnecken von der Seitenfüttereinrichtung zum Fasereintrag in den Extruder beträgt 300 U/min. Die Faseraufgabe in die Extruderöffnung [22] erfolgt auf der Zone 4 in die plastifizierte Schmelze, wobei für die Compoundierung Zylindertemperaturen an Extruder, Schmelzepumpe und Lochplatte des UWG's nach Tabelle 1 eingestellt sind.
Tabelle 1
Solltemperaturen für die Compoundierung
Der Extruder besitzt in den Zonen 4 und 7 eine atmosphärische Entgasung [21], sowie in der Zone 8 eine Vakuumentgasung [23] mit Anschuß an eine Wasserringpumpe. Die Schneckenkonfiguration der Extruderschnecken [20] besitzt eine konventionelle Plastifizierzone (Zone 2 und 3) [20a] für PP und in der Zone 4 Schubkantenförderelemente [20b]. In der Mischzone 5 und 6 folgen zur Einarbeitung der Fasern in das PP fördernde Knetblöcke oder MP-Mischelemente [20c]. Anschließend folgen zur Materialförderung Erdmenger-Förderelemente [20d]. Zu Beginn der Zone 8 erfolgt ein Materialabstau mittels förderneutraler Elemente [20e] (z.B. Blister oder Mischkammer mit MP-Elemente) für die Vakuumentgasung und nachfolgend werden wieder Erdmenger-Förderelemente bis in Zone 9 eingesetzt. In der Zone 9 ist im Bereich des Druckaufbaus zur Homogenisierung des Compounds eine Zahnscheibe eingesetzt. Die Schmelzetemperatur am Extruderende der Zone 9 liegt bei ca. 240–260°C, wobei durch die kurze Verweilzeit (ca. 20 s) vom Extrudereingang bis zur Lochplatte keine nennenswerte oxydative Schädigung der Flachsfasern auftritt.
Am Extruderende ist zur Druckentlastung und für einen gleichmäßigen Austrag der Schmelze zum UWG eine Schmelzepumpe [24] (Typ Pumpe MSDP 300/300 Fa. Dynisco Europe) angeflanscht.
Die druckgesteuerte Schmelzepumpe ist so ausgelegt, das der Schmelzedruck des Extruders auf max. 45 bar begrenzt wird und ein Druckaufbau für die Unterwassergranulierung erfolgt.
Die Unterwassergranulierung erfolgt mittels eines UWG (Modell SLC 6, Fa. Gala mit Anfahrventil Modell 6, 2008BF Trockner und Agglomeratfänger [25a], Feinstteile-Bogensieb Modell 6 [25b] und Wassersystem Modell TWS 20.2 [25c]). Die Bohrungen der Lochplatte [25] zum Schmelzeaustrag für die Granulierung haben einen Durchmesser von 3,8 mm und die Prozesswassertemperatur liegt bei 40–50°C. Das Granulatkorn besitzt einen mittleren Korndurchmesser von 4–4,5 mm und wird nach Abwurf aus dem Trockner pneumatisch zur Verpackungsstation gefördert.
Für den beschriebenen Verfahrensprozess zur Herstellung von 25 Gew.-% flachsfaserverstärktem PP-Compound (PP25%Flachs) sind die Materialkennwerte nach der Spritzgußverarbeitung des Compounds in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Tabelle 2:
Eigenschaften von PP25%Flachs nach der Spritzgußverarbeitung
Ausführungsbeispiel 2: Synthesefaser-Compoundierung 25 Gew.-% PET-faserverstärktes PP-Compound (PP+25%PET-Fasern)
Die Verfahrenserfindung ist in Verfahrenszeichung 3 schematisch dargestellt. Im Ausführungsbeispiel 2 wird die kontinuierliche Herstellung eines synthesefaserverstärkten Compounds erläutert. Die Verfahrensschritte sind mit römischen Zahlen sowie die wichtigsten Verfahrenselemente mit arabischen Zahlen und Bezugszeichenliste numeriert. Die Compoundierung erfolgt auf einem gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextruder (Typ ZE 50, Fa. Berstorff) mit einem Durchsatz von 380 kg/h (bei einer Schneckendrehzahl von 585U/min). Zur Compoundierung werden folgende Ausgangskomponenten eingesetzt:
73,3 Gew.-% PP-Homo (MVI 32cm³/10min bei 230°C/2,16 kg)
25 Gew.-% PET-Faser (4,4mm Schnittlänge, Titer 8,7 dtex)
0,5 Gew.-% Calziumstearat
1 Gew.-% maleinsäuremodifiziertes Montanwachs
(Haftvermittler)

0,2 Gew.-% Verarbeitungsstabilisatoren

Die Dosierung von Matrixpolymer und Additiven erfolgt wie im Ausführungsbeispiel 1. Die geschnittenen PET-Fasern werden in 20 kg Säcken bereitgestellt, sie benötigen keine Faseröffnung. Die PET-Fasern werden für die Compoundierung mittels Sackaufgabestation (IVa) manuell in die gravimetrische Dosierung (IV) eingefüllt.
Gravimetrische Dosierung und Faseraufgabe für die PET-Fasern entsprechen der Verfahrensweise und Technik wie in Ausführungsbeispiel 1 beschrieben. Die Faseraufgabe in den Extruder erfolgt auf die Zone 4 in die plastifizierte Schmelze, wobei für die Compoundierung Zylindertemperaturen an Extruder, Schmelzepumpe und Lochplatte des UWG's nach Tabelle 3 eingestellt sind.
Tabelle 3
Solltemperaturen für die Compoundierung
Die Extruderanlage besitzt den gleichen Aufbau mit Schmelzepumpe und UWG, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Schneckenkonfiguration ist ähnlich, nur dass Mischzone 5 und 6 schonender mit weniger fördernden Knetblöcken bestückt sind. Die Schmelzetemperatur am Extruderende der Zone 9 liegt bei ca. 230–240°C, wobei durch die kurze Verweilzeit (ca. 20 s) in der Schmelze kein Erweichen der thermoplastischen PET-Fasern austritt.
Für den beschriebenen Verfahrensprozess zur Herstellung von PP+25%PET-Fasern sind die Materialkennwerte nach der Spritzgußverarbeitung des Compounds in Tabelle 4 zusammengefaßt.
Tabelle 4:
Eigenschaften von PP+25%PET-Fasern nach der Spritzgußverarbeitung
Die entsprechend den Ausführungsbeispielen 1 und 2 hergestellten Natur- und/oder Synthesefasercompounds können auf konventionellen Kunststoffverarbeitungsmaschinen (z.B. Spritzguß, Extrusion) nach Anpassung der Prozessparameter verarbeitet werden.
[Bezugszeichenliste]
Verfahrenszeichnung 1

A) Verfahrensvariante bei Lieferform von kompaktierten Fasern als Faserballen
B) Verfahrensvariante bei Lieferform als lose Fasern
C) Herstellungsvariante für Granulat
D) Herstellungsvariante für Platten oder anderer Halbzeugen

Verfahrensschritte

I) Öffnen der Faserballen
II) Entmetallisierung
III) Entstaubung/Faserabscheidung
IV) Faserdosierung
V) Polymer, Additive und Füllstoff
VI) Faseraufgabe
VII) Compoundierung (Doppelschneckenextruder)
VIII) Druckaufbau (Schmelzepumpe)
IX) Granulierung
X) Verpackung
XI) Form- und Breitschlitzdüse
XII) Platten- und Halbzeuganlage
XIII) Konfektionierung
XIV) Verpackung Halbzeug
XV) Entgasung
XVI) Aspiration

Verfahrenszeichnung 2 und 3 Verfahrensschritte

I) Öffnen der Faserballen
II) Entmetallisierung
III) Faserabscheidung und Entstaubung
IV) Faserdosierung, IVa) Sackaufgabestation für lose Faser
V) Polymer und Additive
VI) Faseraufgabe
VII) Compoundierung (Doppelschneckenextruder)
VIII) Druckaufbau (Schmelzepumpe)
IX) Unterwassergranulierung
X) Verpackung

Vorrichtungs- und Anlagenelemente

1) Vorlagetisch
2) Steiglattentuch
3) Abschlagswalze
4) Faserfüllschacht
5) und 5a Metallabscheider
6) Fasersiebtrommel
7) Ventilator
8) Fächerwalze
9) Vorratsbehälter mit Klappenkasten
10) Rührer der Dosierung
11) Dosierwalzen
12) Abstreifelemente
13) Fasertrichter
14) Rührer der Faseraufgabe
15) Förderschnecken der Faseraufgabe
16) Trennebene für Fasern und Luft
17) Sauggebläse
18) Dosierungen
19) Einzug
20) Extruderschnecken
20a) Plastifizierzone
20b) Schubkantenförderelemente
20c) Knetblöcke oder MP-Elemente
20d) Erdmengerförderelemente
20e) Förderneutraler Abstau z.B. Blister
20f) Zahnscheibe
21) atmosphärische Entgasung
22) Seitliche Extruderöffnung für die Faseraufgabe
23) Vakuumentgasung
24) Schmelzepumpe
25) Lochplatte
25a) Trockner
25b) Feinstteile-Bogensieb
25c) Wassertank
26) Aspiration

Claims

Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung von Compounds aus fließfähigem Kunststoff und endlichen Natur- und/oder Synthesefasern mittels Doppelschneckenextruder, wobei ausgehend von den handelsüblichen Lieferformen der Ausgangsmaterialien (Fasern, Polymer) bis zum fertigen Compoundprodukt (Granulat, Platte oder Halbzeuge, Formteile) in einem komplexen Verfahrensprozess behandelt werden, indem – kompaktierte Fasern mittels Öffnungseinrichtung geöffnet, unter Luftförderung über ein Metallabscheidungssystem und nachfolgend durch eine Faserabscheidungseinrichtung gekoppelt mit einer Entstaubungseinrichtung geführt und dann einer Dosiereinrichtung zugeführt werden, oder – lose Fasern, mittels Aufgabestation direkt einer Dosiereinrichtung zugeführt werden, – die nach a oder b behandelten Fasern in einer gravimetrischen Dosiereinrichtung durch Doppelrührwerk aufgelockert und mittels drehzahlgesteuerten Doppelstiftwalzen kontinuierlich dosiert werden und nachfolgend über eine Faseraufgabeeinrichtung unter Unterdruck kontinuierlich in die Förderschneckengänge einer Doppelschnecke eingebracht und einem Extruder nach der Plastifizierzone und vor der Mischzone mittels Zwangsführung zugeführt und bei einer Extruderdrehzahl > 400 ¹/min compoundiert werden, – Polymer, Füllstoff und Additive über eine konventionelle Dosiereinrichtung kontinuierlich in den Extruder eingebracht werden, – durch Druckaufbau im Extruder das Compound unterwassergranuliert oder direkt zu Platten oder anderen Halbzeugen verarbeitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als fließfähiger Kunststoff ein oder mehrere Thermoplaste, beispielsweise PP, SAN, ABS,PA6, PBT, TPO,PDBS sowie deren Mahlgüter, thermoplastische Elastomere, beispielsweise TPE, SEBS, oder duroplastische Kunststoffe, wie Polyesterharze für die Compounds eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Fasern Naturfasern, wie Flachs, Hanf, Bambus, Sisal, Synthesefasern, wie PA6.6 PET, PEN, PU, Melamin und Regeneratfasern, wie Celluloseregeneratfasern, insbesondere auch solche Fasern mit mäßiger bis schlechter Rieselfähigkeit eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass kompaktierte Fasern mittels Ballenöffner, Ballenfräse oder Schredder mit Mühle vor der Compoundierung geöffnet, entmetallisiert, entstaubt und in einem Vorratsbehälter mit Klappkasten gesammelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckentlastung des Extruders mittels einer vor der Düse betriebenen Schmelzepumpe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenextrusion mit Walzenglättwerk, Auma-Verfahren oder Doppelbandpresse erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilextrusion von Halbzeugen mit Formdüse und Abzugsvorrichtung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Halbzeugherstellung durch kontinuierliches Schmelzeablegen und diskontinuierliches Pressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bis 50 Gew.-% Fasergehalt im Compound eingearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern mit gleichen oder unterschiedlichen Faserlängen bis 15 mm und Einzeltitern bis 200 dtex eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Fasern, Fasermischungen, Recyclingfasern, textile Schnipsel und Faserchips als Faserkomponente eingesetzt werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Additive, Flammschutzmittel und Füllstoffe zur Modifizierung der Compounds eingesetzt werden.