4 Mischen und Homogenisieren

• Unterteilung von Strömungsverhalten grundsätzlich in laminar und turbulent

• Aufgrund hoher Viskositäten ist die Reynoldszahl in der Kunststoffverarbeitung sehr klein (10−3)

→ daher gehören Kunststoffschmelzen zu den laminaren Strömungen

Distributives Mischen

Verteilen der einzumischenden Komponenten (Feststoffpartikel, Schmelzetröpfchen) in der Schmelze

Ziel: Möglichst bzw. ausreichend gleichmäßige Verteilung

Dispersives Mischen

Zerteilen der einzumischenden Komponenten (Feststoffagglomerate, Schmelzeinseln) in kleinere Bestandteile (Aggregate/ Partikel, Tröpfchen)

Ziel: Möglichst kleine bzw. ausreichend kleine Teilchen

Definition

Vorgang, der die Agglomeratgröße des Nebenbestandteils auf die kleinstmögliche Partikelgröße reduziert

Aufgabe

• Zerteilen / verkleinern von Feststoffagglomeraten oder Schmelzetropfen

• Mischen untereinander nicht verträglicher Stoffe

• Einmischen von Feststoff-Additiven (geschieht häufig in Form von feinen Pulvern)

→ Problematik: bei Partikelgröße <100 μm besteht erhöhte Neigung zur Agglomeratbildung

• Aufbrechen von Agglomeraten mittels hoher Scher- und Dehnkräfte

→ Zerfall in kleinere Partikel

• Hydrodynamische Kräfte, die auf ein Agglomerat wirken, müssen die Adhäsionskräfte übersteigen

• Dispersionsgrad abhängig von Höhe der Spannungen, Einwirkzeit und Bindungsneigung der Partikel

• Mischgrad bei Dehnströmung höher als bei Scherströmung

a) Scherströmung mit Rotation

b) reine Dehnströmung

Definition

Vorgang, der die Zufälligkeit der räumlichen Verteilung des Nebenbestandteils innerhalb der Polymermatrix erhöht, ohne dass sich die Partikelgröße des Nebenbestandteils ändert

Aufgabe

• Herstellung stofflicher und thermischer Homogenität

• Mischen unterschiedlicher Polymere mit ähnlicher Viskosität

• wiederholtes Teilen, Neuorientieren und Zusammenführen des Schmelzestroms

• Störung des Geschwindigkeitsprofils im Fließfeld verursacht Durchmischung

• Verteilung des Nebenbestandteils in der Polymermatrix

• geringere Scher- und Dehnkräfte als bei dispersivem Mischen

a) Strecken und Falten

b) Strecken, Aufteilen und Zusammenführen

Quer

Längs

Problematik:

• Wärmeaustausch zwischen Schmelze und Zylinder nur durch Wärmeleitung wegen laminarer Strömung

• Geringe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffschmelze bremst hierbei zusätzlich (typ. 0,1 − 0,3 𝑊Τ𝑚 ∙ 𝐾)

• Abstreifen der Schmelzerandschicht von der Zylinderwand durch Mischelemente oder Schneckenstege

• Einmischen der Randschicht in die Schmelze

→ Abkühlen oder Aufheizen der Schmelze im Ganzen (Homogenisierung)

• distributives Mischen (dispersives Mischen erhöht Wärmeeintrag durch starke Scherung)

Dissipation begrenzt häufig die Durchsatzleistung

→ bei schlechter thermischer Mischleistung Wärmestau an Zylinderwand

Gute thermische Mischleistung erhöht thermische Homogenität in der Schmelze

→ kein Wärmestau

→ höherer Durchsatz möglich

• Lücken in der Schneckengeometrie und Scheckenspitze bilden Ringkanäle

→ Schmelze wird spiralförmig ausgestrichen und überlagert (Couette-Strömung)

• Geringe Mischwirkung bei schmalen Lücken und kurzen Spitzen

• Zylinderoberfläche wird nicht abgestreift

→ Nachteil bei Farb- & Materialwechsel

• Spiralförmige Schmelzeströmung

• Verbesserung der distributiven Mischwirkung durch geschlitzte Flanken und / oder Einbauten (z.B. Stifte)

• Einfach und kostengünstig

• begrenzte Mischwirkung

→ Mischwirkung abhängig von Drehzahl und Druckprofil

1. Einsetzen eines Hochbeanspruchungsbereiches (engl. high stress region (HSR))

→ Material wird hohen (vorzugsweise (Dehnungs-) Spannungen ausgesetzt

→ hydrodynamische Kräfte, die außen auf ein Agglomerat wirken, müssen die Adhäsions- bzw. Kohäsionskräfte, die es zusammenhalten, übersteigen

→ Aufbrechen von Agglomeraten und Tröpfchen

2. Spannungsinduktion möglichst kurzweilig

→ Vermeidung übermäßigen Energieverbrauchs und Temperaturanstiegs → Materialschädigung

3. Homogene Schmelzebeanspruchung

Alle Fluidelemente sollten die gleiche Beanspruchung erfahren

→ Erzielen einer homogenen und effizienten Mischung

• Ringförmiges, simples Mischelement

• Verengung des Fließkanals zu engem radialem Spalt

→ relativ hoher Druckverlust, Anstieg der Schmelzetemperatur

• Druckströmung überlagert Schleppströmung, dadruch keine gleichmäßige Scherung

• keine Schmelzeumlagerung, kaum distributive Mischwirkung

• Verwendung heute selten, Einsatz häufig nur als Stauring vor Entgasungszonen

• 2 bis n axiale Gangpaare

• abwechselnd geöffnete Nuten in Einlass- und Auslassrichtung

• gute dispersive Mischung durch intensive Schmelzescherung im Scherspalt

• Schmelzewirbel in Kanälen mischen zusätzlich distributiv, erhöhen aber auch Temperatur

• keine Förderwirkung, Druckverlust

• Sperrstege streifen Zylinder vollständig ab

→ geringe Spülzeit, guter

• Wärmeaustausch mit Zylinder

• 2 bis n wendelförmige Gangpaare

• gute dispersive Mischung durch intensive Schmelzescherung im Scherspalt

• Schmelzewirbel in Kanälen mischen zusätzlich distributiv, erhöhen aber auch Temperatur

• Förderwirkung besser als Maddock-Scherteil, in den meisten Fällen Druckverlust

• Sperrstege streifen Zylinder vollständig ab

→ geringe Spülzeit, guter Wärmeaustausch mit Zylinder

1. Dehn- und Scherbeanspruchung sind hilfreich, aber nicht so dominant wie beim dispersiven

Mischen

2. Wiederholte Aufteilung der Schmelze und Reorientierung der Fluidelemente

• Anordnung der Stifte nach der Schnecke oder bereits in Metering-Zone

• Störung des Geschwindigkeitsprofils

→ hohe distributive Verteilwirkung

• sehr geringe Erhöhung des Druckverbrauchs

• einzelne Feststofffragmente können jedoch nicht aufgefangen und aufgeschmolzen werden

• weit verbreitet wegen Effektivität, geringer Kosten, einfacher Nachrüstbarkeit

• über den Umfang eingebrachte Aussparungen in den Flanken

• Aufteilung der Schmelze in enge Kanäle,wiederholte Zusammenführung und Teilung

• Förderwirkung durch wendelförmige Gängeund Stege

• Nachteil: Zylinderwand wird nicht komplett abgestreift

• spiralförmig eingebrachte Aussparungen in den Flanken

• geringe Stagnationswahrscheinlichkeit von Material

• verbesserter Wärmeübergang zwischen Schmelze und Zylinder

• Abgewandelte Form des Saxton- Mischers

→ Diamantform durch weitere Aussparungen

• Besonders geeignet zur Eliminierung von Streifen bei Farbzugabe

• Mischwirkung durch wiederholtes Aufteilen und Zusammenführen der Schmelze

• kaum Austausch zwischen Strömung am Kanalgrund und am Zylinder, dadurch Temperaturausgleich schwach

• Mischelemente mit variabler Gangtiefe

• spiralförmig eingefräste Nuten

• Nutwinkel > Flankenwinkel

• gesteigerte relative Scherung

Insgesamt wenig Aufteilung und Reorientierung der Schmelze → Limitierte Mischleistung

• Nutwinkel = Flankenwinkel

• nicht-durchgängige Nuten

→ Material wird von einer Nut zur nächsten verdrängt

Insgesamt wenig Aufteilung und Reorientierung der Schmelze → Limitierte Mischleistung

• Überlappende Kavitäten (Kalotten) in Schnecke und Zylinder

• intensive Scherung und Reorientierung der Schmelze

→ effektiver Mischvorgang

• Zylinderwand wird nicht vollständig abgestreift

→ lange Spülzeit

• Frei rotierendes Mischelement

• Verlagerung der Zylinderkavitäten in rotierende Hülse

• verbesserte Spülbarkeit, erhöhte Mischleistung

• erhöhter Wartungsaufwand, erhöhte Fertigungskosten und Verschleißneigung

Statikmischer

• zusätzliche Mischung nach dem Extruder

• auch Lochscheiben und Siebe haben eine begrenzte statische Mischwirkung

• hauptsächlich distributiv wirkend, mehrere Stufen notwendig

• gute thermische Homogenisierung über Fließkanalquerschnitt

• niedrige Schergeschwindigkeiten

• zusätzlicher Druckverlust

• zusätzliche Verweilzeit

Mischwirkung eines 4-stufigen Statikmischers

Verbesserung der Mischwirkung durch

a) mehrstufige Ausführung gleicher Mischelemente (exponentielle Zunahme der Mischwirkung)

b) aufgabenspezifische Kombination verschiedener Mischelemente (in der richtigen Reihenfolge

Beispiel:

1. Dispersives Mischen (Zerteilen) (2-stufiges Wendelscherteil)

2. Distributives Mischen (Verteilen) (Rautenmischteil

1. Minimaler Druckverlust

Druckverlust kleinstmöglich anstreben, Mischelement mit Förderwirkung ist zu bevorzugen

2. Vermeidung von Totzonen

Gestaltung des Fließweges, sodass Totzonen vermieden werden

→ stagnierendes Material kann degradieren

→ Beeinträchtigung der Produktqualität

3. Vollständiges Abstreifen der Zylinderwand, Vermeiden von Zylindernuten

Mischelemente sorgen nicht nur für stoffliche Durchmischung, sondern auch für thermische Homogenität

→ Zylinderwand sollte vollständig über den gesamten Umfang und Mischlänge durch das Mischelement abgestreift werden

→ Vermeidung von Nuten im Zylinder

4. Bedienerfreundlichkeit

Mischelemente sollten einfach in der Handhabung sein in Bezug auf:

• Montage → kurze Rüstzeiten

• Betrieb → Vergrößerung des Betriebsfensters des Extruders

• Demontage & Reinigung → kurze Rüstzeiten

5. Simple Fertigung & Wirtschaftlichkeit

• Das Mischteil sollte nicht zu aufwendig in der Fertigung und auch nicht kostenintensiv sein

→ Kostenreduktion des Mischteils

• Die Kosten eines Mischteils korrelieren nicht zwangsläufig mit der Mischleistung

• mehrstufige Ausführung vorteilhaft (exponentieller Mischeffekt)

• Kombination verschiedener Mischelemente in der richtigen „Reihenfolge“ (erst dispersiv, dann distributiv)

• möglichst vollständiges Abstreifen der Zylinderwand (Sperrstege, kurze Lücken zwischen Mischelementen)

→ Verbesserung im Farb- und Materialwechsel

→ geringerer (Wärme-)Leistungseintrag im Restschmelzefilm zwischen Steg und Zylinder

• Tiefe Kanäle

→ geringere Dissipation, geringerer Temperaturanstieg

→ geringerer Druckverlust

• Gut gerundete Fußradien an Stegen, Flanken und Rauten

• Vermeidung von Ablagerungen → Verbesserung Farb- und Materialwechsel

• Höhere mechanische Stabilität