Extrusionsbeschichtung, -kaschierung

Silos, Trichter, Feedingszone, Compressionszone, Menteringszone, Mischteilen, Schmelzfilter, Schmelzepumpe, Feedblock, Verteilerkanal, Düse, Ozonbehandlung, Kühlwalzen, Presswalze und Abschälwalze

• Silos: Materiallagerung

• Trichter: Materialzuführung

• Feedingzone: In dieser wird das zu extrudierende Material über einen Trichter eingespeist und dabei kontinuierlich mit Hilfe von Heizbändern und der entstehenden Reibungsenergie aufgeschmolzen.

• Compressionszone: in der das Material durch die verringerte Gangtiefe der Schnecke weiterverdichtet und damit der notwendige Druck aufgebaut wird.

• Menteringszone: Homogenisierung von Temperatur und Druck

• Mischteilen: Mischen von Schmelzen

• Schmelzfilter: Trennung von Schmelze und Gelteichen oder Verunreinigungen

• Schmelzepumpe: Aufgabe ist gleichmäßigen Volumenstrom vom Extruder in Richtung Düse zu sicherzustellen. Zusätzlich kann eine Schmelzepumpe den Extruder vom Druckaufbau entlasten

• Statikmischer: Schmelzestrom wird in 2 Ströme geteilt, beide Ströme werden um 90 grad gedreht, Prozess wird wiederholt

• Feedblock: Der Feedblock ist für den mehrschichtigen Aufbau einer Folie verantwortlich. Durch ihn werden die verschiedenen Lagen einer Folie in der gewünschten Reihenfolge aufgebaut.

• Verteilerkanal: verteilt die Schmelze in der Düse

• Düse: für einen gleichmäßigen Ausstoß entlang der Düsenlänge zu sorgen

• Ozonbehandlung: Schmelze wird oxidiert mit Ozon, um die Adhäsion zu verbessern

• Kühlwalzen: Schmelze zu kühlen und bei teilkristallinen Thermoplasten auszukristallisieren

• Presswalze: das Material wird auch verpresst

• Stützwalze: Durchbiegung der Presswalze zu erniedrigen

• Abschälwalze: damit die Beschichtung nicht auf KW geklebt bleibt.

vgl. Extrusionsbeschichtung mit zusätzlicher Bahn

Verbindung von mehreren Schichten

Wenn die Schmelze auf die sich bewegende Trägerbahn aufgetragen wird, entsteht ein Nebel durch die Verflüchtigung von Schmelzbestandteilen. Problematisch, weil die auf der kalten Folienoberfläche kondensiert.

• Kantenverdickung an den Rändern der Schmelzefahne im Luftspalt

• Elastizität, rechts und links keine „Stützen“, in der Mitte stützt sich das Material selbst -> Vorteil: Edge-Bead stabilisiert die Schmelzefahne

• Ursache: Schmelze wird in Düse elastisch gedehnt; Schmelzeformgedächtnis und Oberflächenspannung -> Verdickung

Reduzierung der Breite der Schmelzefahne von der Düse bis zum Auftrag auf das Substrat

-> späterer Randbeschnitt

Beschleunigung der Schmelze -> Geschwindigkeit steigt mit Abstand zur Düse

Vorrichtung innerhalb des Fließkanals

-> Dicke/Breite des Endprodukts einstellbar

-> Inserts

Vorteil: Verringerung von toten Ecken ohne Schmelzefluss

Vorrichtung außerhalb des Fließkanals

-> Dicke/Breite einstellbar

• Unregelmäßigkeit der Beschichtung durch Druckschwankungen

• Kanten der Stanzlöcher -> Kerbwirkung auf Alufolie

Abstand zwischen KW und Presseur

• Extruderqualm:

  • Entstehung eines Nebels durch Verflüchtigung von Schmelzebestandteilen

  • Kondensation an kühleren Oberflächen

• extrem kurze Verweilzeit der Schmelze im Spalt und Nip

• Luft zw. Beschichtung und Substrat (Alu) kann nicht ausreichend nach oben verdrängt werden -> Lufteinschlüsse

• Time in air Gap

• Verweilzeit der Schmelze im Luftspalt

• Wichtig damit die Schmelze oxidiert und haftet

S. 11

Laminat-Innenbeschichtung-Deko

Steril:

• ab 120 grad

• Wärme wird in der Verpackung gegeben

• Verpackung muss aushalten

• PP verwenden

Aseptik:

• Temperaturbelastung nicht so hoch

• Druckfarbe muss beständig sein

• Durch H2O2 und Überdruck betrieben

• Verpackung und Produkt schon keimfrei

• Kunststoffe, die sich in einem Temperaturbereich verformen lassen

• reversibel durch Abkühlung und Wiedererwärmung

• formfeste, aber elastisch verformbare Kunststoffe

• Tg unter Raumtemperatur

• können sich unter Belastung verformen, kehren in ursprüngliche Form zurück

• Kunststoffe, die nach Aushärtung nicht mehr verformt werden können

• hart, glasartig

• über chemische Bindungen dreidimensional vernetzt

Startreaktion: Radikal reagiert mit einem Monomer und bildet ein Radikal

Kettenwachstum:  Monomer-Radikal reagiert mit einem anderen Monomer. Die Kette wächst. Beginnt nicht gleichzeitig

Kettenübertragung

Kettenabbruch: zwei Radikale reagieren miteinander. ungeplant

Hochdruckreaktor (Autoklav)

Zufuhr von Rohmaterial (Ethylen)

-> Druckerhöhung von 1 bar auf 2000 bar

-> Zugabe von Katalysator, Polymerisation startet

-> Polymerisation unter Druck und Bildung von langen Polymerketten

-> Entfernung des Produktes

-> Entgasung durch Unterdruck und Unterwassergranulierung

-> Umsatz ca. 20 %, Rückführung des nichtreagierten Materials

• Ethylen

• Acrylsäure

• Methacrylsäure

• Maleinsäureanhydrid

Seitenketten in eine Richtung

Seitenketten alternierend

zufällige räumliche Anordnung

Reaktion von Maleinsäure mit PE und PP

→ chemische Modifikation der Polymeroberfläche

Anhydrid der Maleinsäure reagiert mit funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des PE oder PP

→ Hydroxygruppen (-OH) oder Aminogruppen (-NH2)

HDPE

• hohe Dichte

• keine Seitenketten

• gut Kristallisieren

  
  

  LDPE

• niedrige Dichte

• Seitenketten hinderlich beim Kristallisieren

Grafik S. 27

abhängig von amorphen und kristallinen Anteile

-> amorphe Bereiche: Ketten liegen in Knäueln vor, großer Abstand zw. Ketten, niedrigere Dichte

-> kristallinie Bereiche: Ketten liegen eng beeinander, höhere Dichte

PE mit statistisch verteilten kurzen Seitenketten gleicher Länge

Aus Ionencluster, die Ladung enthält und amorphen Regionen

Fettbeständigkeit, weil nichts dazwischen kommt

Verteilung von Monomeren ist statistisch

besteht aus längeren Sequenzen oder Blöcke jedes Monomer

Blockcopolymeren wachsen aus einem Punkt

100-fach viskoser

längere Ketten -> mehr Wirrungen

U=Mw/Mn

Große U

-> Autoklav

-> Extrusion

Kleine U

->Rohreaktor

In klassischen Schnecken wird das Feststoffbett von der Schmelze umschlossen, so dass nur relativ wenig Friktion auf die Granulatkörner einwirken kann. Die Wärmeeinbringung in den Feststoff erfolgt somit maßgeblich durch Wärmeleitung, wodurch die Plastifizierleistung schlechter wird. s. 38 Nomenklatur

Maddock:

• Schmelze wird an aktiven Flanken abgeschabt

• sammelt sich in einem Schmelzwirbel

• fortschreitende axiale Schneckenposition -> Breite des Feststoffs nimmt ab

Klenk: Schmelzpool an passiver Flanke

Decker

• Feststoffbett von Schmelze umgeben

• kein Schmelzepool

• zusätzlicher Steg in Plastifizierzone -> Barrieresteg

• Trennung von Schmelze und Feststoff

• höhere Plastifizierleistung, bessere Homogenisierung

S. 51

Der Ausstoß eines konventionellen Extruders ist vom Druckabfall im nachfolgenden Werkzeug abhängig.

Mischteil, der das distributive Mischen fördert

Bei konventionellen Extrudern  ist  die  Meteringzone für den Druckaufbau verantwortlich.

Das Drosselventil befindet sich am Ende einer Extruderschnecke. Durch dieses Ventil kann man Druck regulieren. Hohe Druck- > mehr Rückstromung -> bessere Mischung

• Sieb/Filter

• entfernt partikuläre und teilchenartige Verunreinigungen aus Schmelzestrom

• vor Extrusionswerkzeug

• vernetzte Polymere (Gelteilchen), verbranntes Polymer, Abrieb

  -> verursachen Folienrisse, -löcher, visuell störend

.

• Granulat kompaktieren

• Luft austreiben

• Aufschmelzen

• Konstanten Schmelzdruck aufbauen

• Material und Temperatur homogenisieren

• Konstanten Schmelzstrom pumpen

Beim Dry Blending werden mehrere Sorten Granulatkörner rezeptiert, gemischt und gemeinsam aufgeschmolzen

Durch eine Sonde mit verfahrbarer Spitze. Sie befindet sich in Schmelzkanal

• Zwei Kurven mit unterschiedlicher Drehzahl

• Profil von Wand bis Symmetrieachse des Kanals

• Bei 100 rpm ist neben Wand 283 und in die Mitte 293

• Prinip: Drehen und Trennen

• Schmelze wird in 2 Ströme aufgeteilt, zueinander gedreht, wieder geteilt, etc

• Rohrelement mit Mischelementen, keine beweglichen Teile

• Vorteile

  • Wartungsfrei

  • geringer Ernergieverbrauch

  • keine elektrischen Komponenten

Durch Thermobolzen über gesamte Düsenbreite kann man die Längenänderung feindosieren. 

• T-förmiger Aufbau

• Verteilerkanal: Hauptkanal, durch den die Schmelze fließt

  seitlich: Kanal senkrecht zum Hauptkanal

• Preland

• Land

• Kontrolle des Querschnitts: eine präzise Steuerung des Querschnitts des extrudierten Materials. Durch die Gestaltung der Öffnung in der Düsenplatte kann die gewünschte Form erreicht werden.

• Vielseitigkeit

• Gleichmäßige Verteilung

Es basiert auf dem „T“-Verteiler, ist jedoch an den Rändern der Düse, ähnlich der Form eines Kleiderbügels.

Vorteil: Schmelze besser verteilt

Nachteil: Tote Ecken

Durch Einstellung der internen Decklinge

Schmelze tritt aus (heiß) -> Auftrag auf Substrat (warm) -> Kühlwalze (kühl) -> aufrollen (kalt, erstarrt)

Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen

Das Lichtspektrum, auch Farbspektrum, ist der für den Menschen sichtbare Anteil des elektromagnetischen Spektrums

Langwellen, Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot (Wärme-strahlung), UV, Röntgen- Strahlung, Gamma-Strahlung

Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) - auch als Wärmestrahlung bezeichnet - ist Teil der optischen Strahlung und damit Teil des elektromagnetischen Spektrums

• physikalisches Analyseverfahren, das mit infraroter Strahlung (Wellenlänge: 800 nm bis 1 mm) arbeitet

• Bestimmung von bekannten Substanzen, deren Identifikation anhand eines Referenzspektrums erfolgt, oder zur Strukturaufklärung unbekannter Substanzen genutzt

• Bestrahlung des Stoffes

  -> Absorption bestimmter Frequenzbereiche

  -> Schwingungsanregung der Bindungen

  -> in Form von Ausschlägen im gemessenen Spektrum (Diagramm) sichtbar

• notwendige Energien/Frequenzen sind charakteristisch für jeweilige Bildungen

  -> Indentifikation von Materialien

  
  

Infrarotstrahlung: Die Strahlung wird von einer Infrarotquelle erzeugt und durch das zu analysierende Material geleitet.

Strahlungsquelle: Die Strahlungsquelle erzeugt die infrarote Strahlung.

Probenvorbereitung: Die Probe, die analysiert werden soll, wird vorbereitet, um eine Messung im IR-Spektrum durchzuführen. Die Probe kann in Form eines Gases, einer Flüssigkeit oder eines Feststoffs vorliegen.

Interferometer: Das Interferometer ist ein wichtiges Instrument im IR-Spektrometer. Es besteht aus verschiedenen optischen Komponenten, die dazu dienen, die infrarote Strahlung in verschiedene Wellenlängen zu zerlegen und zu messen.

Detektor: Der Detektor misst die Intensität der infraroten Strahlung, nachdem sie durch die Probe und das Interferometer gegangen ist.

• Tiegel mit Materialprobe und leerer Tiegel

• Vergleich des Wärmeflusses

  -> Probe “hinkt” leerem Tiegel hinterher

  -> höhere Wärmezufuhr, um das auszugleichen

• Differenz wird in Diagramm aufgezeichnet

durch Kalibriermaterial, sind alle festgelegt (Reine Metalle, Aluminium, Zinn, Gallium)

• Eingangskontrolle der Waren

• charakteristische Temperaturen

• Schmelzpunkt und Kristallisationspunkt

• Spezifische Wärme (cp)

• Molekulargewichtsverteilung (Peakform bei Polymeren)

• Auswirkung von Additiven, Weichmachern oder Regranulatzusätzen 

Copolymer 1: LDPE mit HV erkannt an Tmax. Bei der ersten Aufheizung haben wir eine Kuppel. Copolymer ist ein Granulat und bei 50 Grad ist regranuliert worden.

Blend 1: HDPE und LDPE erkannt an den zwei Tmax. Bei der ersten Aufheizung ist gut gemischt. Bei der zweiten haben die Zeit separat zu kristallisieren.

Blend 2: 70 % HDPE und 30% ist LDPE. Schmelzpunkt hoch aber immer HDPE

Blend: Mischung von unterschiedlichen Polymeren. Copolymer: Mischung aus verschiedenen Monomeren, die zu einem einzigen Polymer verbunden sind.

Innerer Widerstand einer Substanz gegen das Viskose Fließen

Viskosität nimmt durch zunehmende Scherung zu, bleibt bei konstanter Scherbeanspruchung aber dann über der Zeit konstant

Viskosität änders sich nicht durch Scherung

Viskosität nimmt durch zunehmende Scherung ab, bleibt bei konstanter Scherbeanspruchung aber über die Zeit konstant

Eigenschaft eines Fluids, nach einer Scherung eine höhere Viskosität zu zeigen.

Rheopexie ist stark zeitabhängig und bedeutet, dass die Viskosität bei konstanter Scherung mit der Zeit ansteigt

Fließeigenschaft von Flüssigkeiten, welche bei andauernden äußeren Einwirkungen ihre Viskosität verringern.

Eine thixotrope Flüssigkeit wird mit der Dauer ihrer Verformung flüssiger, kehrt aber bei Beendigung der Belastung zur Ausgangsviskosität zurück und verhärtet sich

• dünne Kapillare

• Zeit, die die Flüssigkeit benötigt, um einen bestimmten Abstand in der Kapillare zurückzulegen, wird gemessen

  -> Fallzeit

  -> abhängig von der Viskosität

• Glasröhre oder einem Zylinder, der mit der Flüssigkeit gefüllt ist

• Kugel (Metall, Glas) in der Röhre

• wird losgelassen, um zu fallen

  -> Flüssigkeit verlangsamt Bewegung

• Fallzeit wird gemessen

• funktioniert mit Kunststoffschmelzen nicht

• Sensorsonde, die in die zu messende Flüssigkeit eingetaucht wird

• Sonde erzeugt eine Schwingung, indem sie in der Flüssigkeit oszilliert

• Schwingung wird von der Flüssigkeit absorbiert und die Absorption wird gemessen

• Messung der Absorption ermöglicht die Bestimmung der Viskosität der Flüssigkeit

• Je zäher die Flüssigkeit ist, desto mehr Energie wird durch die Schwingungsabsorption absorbiert, was zu einer höheren Absorptionsmessung führt.

Melt Flow Index, Schmelzindex

Maß für die Fließeingenschaften eines bestimmten Polymers

Kriechen: viskoelastische und plastische Verformung unter konstanter Last. Dieses Verhalten ist hier sichtbar. mLLDPE MI 20 und 320 grad: die Deformation wird früher, weil höhere Temperatur im Vergleich zu den Anderen. Nach dem Kriechen haben wir keine Deformation mehr. Druck ist gleich 0 bar.

Wärmetransfer: Das Material wird von außen erwärmt

Schmelzen: Die Temperatur muss die innere Kontaktflächen schmelzen

Benetzen: die Kette sind jetzt beweglich und können sich verschlaufen.

Interpenetration

Abkühlen und Erstarren

Bei 180 Grad Alu nicht komplett aufgeklebt. Bei 200 haben wir ein Wulst. Es hängt viel von dem Herstellverfahren ab. Thermoform-Becher hat eine MFI von 2/5, Spritzgegossene von 100.

• Messen von Schmelzeigenschaften

• Platte/Platte oder Platte/Kegel Geometrie

• Abstand frei wählbar, abhängig von Viskosität

• linear-viskoelastischer Temperaturbereich

• eine Platte rotiert/schwingt mit definierter Geschwindigkeit

  -> Scherung

• Durchführung bei einer oder mehreren Temperaturen

Zwei LDPE mit unterschiedliche MFI. Man kann das Verhalten beim Aufschmelzen und Erstarren sehen. Bei Erstarren bildet sich eine Hysteren. Die Partikel brauchen Zeit, um zurück zur Anfangsposition zu gehen. Schau s. 94

Hier werden 3 Materialien analysiert. PP für Spritzguss beginnt mit einer niedrigen Viskosität im Vergleich zu den anderen Materialien, die für Thermoformung verwendet werden. Ab 160 Grad fällt die Kurve schnell ab, weil 160 Schmelzpunkt von PP ist. PP ist Spritzguss dünnflüssiger als PP für Thermof. Bei Abkühlung von beiden PP haben wir eine Hysterese. PS für Thermoformung wird nicht wirklich aufgeschmolzen, sondern nur erweicht. PS ist amorph, deswegen haben wir keinen Schmelzpunkt. Wir haben keine Unterkühlung.

Initialhaftung bzw. Eigenschaften sofort zu kleben

Im Rheomter mit Platte/Platte: Probekörper wird mit konstanter Fläche mit konstantem Druck gepresst

Stempel wird abgezogen und dabei die Kraft für den Abzug gemessen.

• Messung der Fließeigenschaften von Polymeren

• zwei Messkammern, eine enthält Kapillare, die andere Lochblende

• zu untersuchende Schmelze wird in die Kammern gefüllt, und durch Stempel gedrückt

• Kapillare -> Einlauf- und Scherdruckverlust

• Lochblende -> nur Einlaufdruckverlust

Wenn die Polarität der Schichten sich zu stark unterscheidet

• Applesauce

• Fuzzy Edges

• Shark Skin

• Zig-Zag

• Orange-Peel

• Arrangieren die Polymerströme in der richtigen Reihenfolge

• Forme die Polymerströme für die nachfolgende Kombination zu einem rechteckigen Sandwich.

• Vorformung zur Kompensation der Fließeigenschaften

• Verbinden der Polymerströme für die finale Breitstreckung

• Minimiere Grenzflächenspannungen zwischen den Lagen

• Reduziere Möglichkeiten der Verzerrung der Schmelzeströme

• Viscosity matching

• Kräfte an der Grenzfläche

• Gleichmäßigkeit der Grenzfläche

• Gleichmäßigkeit der Temperatur und der Schmelzedrücke

• Garbage in= Garbage out

• unterschiedliche Viskosität der Polymere

• Haftungsprobleme

• Kräfte an den Grenzflächen

• Gleichmäßigkeit der T und Schmelzedrücke

• Garbage in -> Garbage out

• Verunreinigungen, Verfärbungen

• Viskose Einkapselung

  • Viskositätsunterschiede zw. Schmelzen

  • Schmelze mit geringerer Viskosität “umschließt” die andere Schmelze

• ungleichmäßige Schmelzeverteilung am Ausgang des Feedblocks

  -> wirkt Viskoser Einkapselung entgegen

  -> gleichmäßige Schmelzeverteilung an Düsenlippe

O3 wird nach der Düse auf Schmelze aufgetragen -> bessere Haftung

• Unterscheidung

  -> erwünschte Oxidation: bessere Haftung

  -> unerwünschte Oxidation

• Vernetzung der Beschichtung

  -> off-smell, off-taste

• Ozon muss erzeugt, dosiert und (nicht reagierter Anteil) entsorgt werden

PE: idR keine Antioxidantien

-> PE oxidiert an der Luft/durch Ozon

-> bessere Haftung

Vernetzen

Abbau

• Problem: ungleichmäßiger Druck über Bahnbreite

• Durchbiegung des Presseurs unter Liniendruck

  -> Druck in der Mitte am niedrigsten

  -> Haftung am schlechtesten

• zylindrischer Presseur mit Stützwalze

• Konvexer Presseur

  -> kompensiert Durchbiegung

  -> konstanter Druck

  -> konstante Haftung

• Schälrichtung 180°

• je dicker die Beschichtung, in umso größerem Bereich wird die Spannung verteilt

  -> Riss des Polymers bei höherer absoluter Kraft als bei dünnerer Beschichtung

• gemessen wird der Schälwiderstand, nicht die Haftung