Untersuchung der dispersiven und distributiven Mischwirkung auf gleichläufigen Doppelschneckenextrudern bei der Einarbeitung mineralischer Füllstoffe

Die Aufbereitung von Polymeren erfolgt überwiegend in gleichläufigen Doppelschneckenextrudern. Dabei werden neben Additiven häufig Füllstoffe mit Anteilen zwischen 20 und 80 Gewichtsprozent eingearbeitet, um die Materialeigenschaften gezielt zu verbessern. Entscheidend für die Wirkung ist eine gleichmäßige Verteilung der Füllstoffe in der Kunststoffmatrix. Hierfür sind zwei Mischmechanismen erforderlich: Beim dispersiven Mischen werden Füllstoffagglomerate durch ausreichend hohe Strömungskräfte zerkleinert. Das distributive Mischen verteilt die Bestandteile durch wiederholtes Aufteilen und Zusammenführen von Teilströmen. Da die Verarbeitung hochviskoser Polymerschmelzen unter laminaren Strömungsbedingungen erfolgt, ist diese gezielte Umlagerung für eine wirksame Durchmischung notwendig. Beide Mechanismen werden wesentlich durch die Schneckenelemente und die Verfahrensparameter beeinflusst.

Die zentrale Herausforderung besteht im Zielkonflikt zwischen hoher Mischqualität und niedrigem Energieeintrag. Intensives Mischen verbessert die Homogenität, erhöht jedoch zugleich die Erwärmung und Materialbelastung. Dies kann die spätere Bauteilqualität beeinträchtigen und ist insbesondere bei temperaturempfindlichen Zusatzstoffen wie Aluminiumhydroxid kritisch. Mischzonen müssen deshalb so ausgelegt werden, dass sie auf möglichst kurzer Mischlänge eine ausreichende Agglomeratzerkleinerung und gleichmäßige Füllstoffverteilung bei geringem Energieeintrag gewährleisten. Gleichzeitig sind Anforderungen an Massedurchsatz, Schmelzequalität und Wirtschaftlichkeit einzuhalten.

Eine zuverlässige Vorhersage der Füllstoffzerkleinerung und -verteilung ist bislang nicht Stand der Technik. Geeignete Betriebspunkte und Maschinenkonfigurationen werden daher in aufwendigen Versuchsreihen ermittelt. Das wiederholte Anfahren und Umbauen der Anlagen verursacht hohe Kosten und verzögert die Anpassung an wechselnde Marktanforderungen.

Ziel des Forschungsvorhabens ist es, das dispersive und distributive Mischverhalten unterschiedlicher Schneckenelemente beim Einmischen von Additiven systematisch zu charakterisieren. Dazu werden experimentelle Untersuchungen an einem neu entwickelten Mischteilprüfstand mit Simulationen verglichen und Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen ermittelt. Auf dieser Grundlage lassen sich Mischwirkung und Energieeintrag quantifizieren sowie besonders energieeffiziente Mischteile identifizieren. Zudem wird geprüft, inwieweit die Erkenntnisse auf reale Doppelschneckenextruder, andere Maschinengrößen und Stoffsysteme übertragbar sind. Die Ergebnisse fließen in Handlungsempfehlungen ein, die insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen die Optimierung bestehender sowie die Auslegung neuer Compoundierprozesse erleichtern und dadurch Wettbewerbsvorteile ermöglichen.