Steigerung der Produktivität von Extrusionsanlagen durch Schmelzeeinkapselung

Die Ausstoßleistung einer Extrusionsanlage wird durch den maximal zulässigen Druckverlust im Extrusionswerkzeug begrenzt. Dieser kann auf die Interaktion der Schmelze mit der metallischen Fließkanalwand zurückgeführt werden, die zu großen Reibung und damit hohen Druckverlusten führt. Es existieren diverse Ansätze zur Reduzierung dieser Wechselwirkungen, wie das Beschichten oder die Zugabe von fluorbasierten Verarbeitungshilfsmitteln. Allerdings führt die Wirkung dieser Maßnahmen zu anderen unerwünschten Nebeneffekten. In dieser Arbeit wird daher die Einkapselung einer hochviskosen Kunststoffschmelze mit einem niedrigviskosen thermoplastischen Material vor dem Eintritt in das Extrusionswerkzeug untersucht. Das Einkapselungsmaterial reduziert die Reibung der Schmelze an der Werkzeugwand. Das parabelförmige Geschwindigkeitsprofil wird in ein blockförmiges Geschwindigkeitsprofil umgewandelt.
Dies ermöglicht eine Reduzierung der im Werkzeug auftretenden Druckverluste und somit höhere Massedurchsätze der Extrusionsanlage bei konstanten Druckverlust. Um den Einfluss des Prinzips der Schmelzeeinkapselung hinsichtlich der oben genannten Aspekte zu bewerten, wurden unterschiedliche verfahrenstechnische Analysen anhand der Rundstrang- und der Flachfolienextrusion durchgeführt. Dazu wurden unterschiedliche Einkapselungsmaterialien eingesetzt. Dabei wurden sowohl mit dem Kernmaterial PE-LD0,25 kompatible als auch inkompatible Einkapselungsmaterialien eingesetzt. Die kompatiblen PE-LD-basierten Materialien verbleiben nach dem Extrusionsprozess auf dem Kernmaterial und bilden somit zusammen das fertige Extrudat. Dagegen wurden die inkompatiblen PP-basierten Einkapselungsmaterialien nach dem Extrusionsprozess vom Kernmaterial entfernt. Die Schichtgrenze zwischen Kern- und Einkapselungsmaterial bildet somit die Oberfläche des Extrudats. Dies ist insbesondere hinsichtlich möglicher Schichtgrenzinstabilitäten von hoher Bedeutung.
Die Einkapselungsmaterialien wurden detailliert hinsichtlich ihrer physikalischen Materialeigenschaften hin analysiert, insbesondere den rheologischen Eigenschaften kommt eine zentrale Rolle zu. Entscheidend für das Prinzip der Schmelzeeinkapselung ist eine im Vergleich zum Kernmaterial deutlich geringere Viskosität sowie eine geringe Interaktion mit der metallischen Werkzeugwand. Anhand der Rundstrang- und Flachfolienextrusion wurde das Prinzip der Schmelzeeinkapselung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass eine deutliche Reduzierung der Druckverluste im Extrusionswerkzeug möglich und somit eine Steigerung der Anlagenproduktivität war. Die Einkapselung eines hochviskosen Kernmaterials mit einem niedrigviskosen Einkapselungsmaterial kann allerdings dazu führen, dass es aufgrund der unterschiedlichen rheologischen Materialeigenschaften zu Fließproblemen in der resultierenden Mehrschichtströmung kommt.