Scher- und Mischteile von Extrusionsanlagen

Scher- und Mischteile von Extrusionsanlagen sind Schneckenelemente beim Extrudieren, welche eine optimale Homogenisierung und Mischung der Schmelze hervorrufen sollen.

Die Scher- und Mischteilanwendung bei älteren Extrudern ist aufgrund derer geringen Leistungen nur in Sonderfällen notwendig (z.B. Einfärbungen des Materials). Bei den heutigen modernen Hochleistungsextrudern reichen, aufgrund der hohen Durchsätze und Maschinenauslastungen, konventionelle Schnecken nicht mehr aus (gilt sowohl für Pulver- als auch für die Granulatverarbeitung). Für eine optimale Schmelzequalität und Farbverteilung müssen daher Scher- und Mischteile an den Schnecken angebracht werden, welche auf die Eigenschaften des Materials, sowie auf das Schnecken-Zylinder System und das Werkzeug abgestimmt werden müssen.

Scherteile

Oft müssen Pigmente durch Scherung in den Kunststoff eingebunden werden.

Im Grunde ist die Scherung ein grundsätzlicher Bestandteil des Mischens. Scherteile verhalten sich zum Material beim Homogenisieren "aggressiver" als Mischteile und kommen immer dann zum Einsatz, wenn zum Beispiel Molekülketten aufgebrochen werden müssen um eine Verbindung mit den zugegebenen Additiven einzugehen, oder wenn große Glasfaserbestandteile in der Schmelze zerkleinert werden müssen.

Mischer

Lässt sich in dynamische und statische Mischer unterteilen.

Dynamische Mischer

Dynamische Mischer (sind Aggregate) sorgen bei niederviskosen Flüssigkeiten durch bewegte Teile (Scher- und Mischteile) für Scher- und Dehnströmungen für eine gute Zer- und Verteilwirkung, oder jedoch die Mischwirkung einer vorhandenen Strömung wird weiter verbessert.

Statische Mischer

Statische Mischer (sind Elemente) kommen nur dann zum Einsatz, wenn eine mechanische und thermische Homogenisierung durch eine Plastifizierschnecke mit dynamischen Mischteil dennoch nicht erreicht wird (Inhomogenität des Materials). Statische Mischer bestehen meist aus Leitstegen, Leitwendeln oder Bohrungsbündeln, welche die Strömung in Teilströme aufteilen, diese dehnen und darauffolgend die räumliche anordnung der Strömung stetig ändert. Dadurch wird die Homogenität der Schmelze wesentlich verbessert.

Statische Mischer bestehen meist aus mehreren zusammengesetzten Mischelementen, welche im Strömungskanal mit einem Versatz von 90° zueinander eingebaut werden.

Nachteile: Höhere Kosten, zusätzlicher Druckbedarf, geringfügige Temperaturerhöhung

Mischen

Lässt sich in Distributives und in Dispersives Mischen unterteilen.

Distributives Mischen (Verteilen)

‎ Kennzeichnend für das distributive Mischen ist die Oberflächenvergrößerung, Scherdeformation und die Umlagerung von Partikel, welche untereinander verträglich sind bei üblichen, im Schneckengang vorliegenden Schergeschwindigkeiten. Hierbei kann man auch von einer Verteilung sprechen.

Lassen sich feste Agglomerate beim Mischen nicht verteilen, so können jedoch verformbare Agglomerate aufgelöst und verteilt werden. Um solche verformbaren Agglomerate verteilen zu können, muss mit Mischteilen gearbeitet werden, welche eine hohe Scherung zur Deformation der verformbaren Agglomerate aufweisen und in Kombination dazu eine darauffolgende Massestromteilung besitzen.

Entscheidend hierbei ist die Geometrie der Elemente, nicht so wie beim dispersiven Mischen, bei dem die Schubspannung bei entsprechender Verweilzeit eine größere Rolle spielt.

Dispersives Mischen (Zerteilen)

‎ Müssen untereinander nicht verträgliche Stoffe miteinander gemischt werden, oder aber feste Agglomerate zerteilt bzw. fein verteilt werden, so ist vom dispersiven Mischen die Rede. Hierbei müssen Teilchen aufgebrochen werden um miteinander vermischt werden zu können. Dieses Zerteilen der Teilchen ist komplexerer als das distributive Mischen.

Bei Füll- und Farbstoffen müssen die Bindungskräfte zwischen den Atomen und Molekülen überwunden werden, da die Grenzflächenspannung dieser Stoffe gegen die Deformation arbeitet. Durch ein Dehn- und Schubspannungsfeld wird die gewollte Deformation hervorgerufen. Hierbei kommt es zunächst zu einer Dehnung der viskosen Partikel bis diese schließlich in mehrere kleine Partikel zerfallen. Beim dispersiven Mischen sind hohe Schergeschwindigkeiten gefragt. Ein optimales Zerteilen ist von der Höhe der Spannungen und der Einwirkzeit abhängig.

Beim dispersiven Mischen kommen Scherteile zum Einsatz.

Optimierung eines Zylinder-Schnecken-System durch ein Mischteil

Voraussetzungen

Die Schmelztemperatur muss beim Arbeiten mit der Grundschnecke ohne Mischteil selbst bei höchsten Drehzahlen mit dem verwendeten Rohstoff unter der maximal zulässigen Temperatur liegen. Diese Forderung ist sehr wichtig, weil im später eingebauten Mischteil ein bestimmter Energieanteil zusätzlich in die Schmelze eingebracht wird

Beim Einbau der Grundschnecke muss der Antrieb des Extruders im angestrebten Drehzahlbereich ohne Mischteil noch Leistungsreserven aufweisen. Diese Forderung ist sehr wichtig, da der umgesetzte Energieanteil eine höhere Leistungsabgabe des Antriebes erfordert. Es muss noch eine Drehzahlreserve vorhanden sein, um den Extruder gegenüber dem bisher genutzten Drehzahlbereich noch höhere Drehzahlen zu ermöglichen.

Ringspalt-Lückenmischteil und modifiziertes Leroy-Scherteil

Beide Mischelemente lassen sich in einfacher Nacharbeit leicht optimieren, indem man die Lücken vergrößert oder die Scherspalte nacharbeitet.

Recht gute Ergebnisse beim Verarbeiten von mittel- bis hochmolekularem PE hoher Dichte wurden mit dem Ringspalt-Lückenmischteil erzielt, der sog. Leroy-Torpedo, der in einer modifizierten Ausführung erprobt wurde, ist ebenfalls ein Mischelement mit stärkerer Scherwirkung.

Links: Schnecke ohne Mischteil
Mitte: gleiche Schnecke mit Ringspalt-Lücken-Mischteil
Rechts: mit Leroy-Mischteil. Aus der Abb. 1 und 2 geht hervor, dass das Leroy-Mischteil beim Verarbeiten von PPH-Pulver die günstigsten Ergebnisse bringt.Die Schmelzqualität ist bei dem Leroy-Mischteil immer noch sehr gut, während sie für die Schnecke ohne Mischteil infolge von Inhomogenitäten völlig ungenügend ist.
Abb. 3 Hier sind die Qualitätsunterschiede noch deutlicher zwischen den Schnecken ohne Mischteil (links) und mit Mischteil (Mitte und rechts). Die beste Qualität lieferte bei diesem hochmolekularen, hochviskosen PE das optimierte Ringspalt-Lückenmischteil (rechts).