Extrusions-Grundlagen: Wasser, Wasser, überall (aber halten Sie es aus der Extrusion heraus

Allan Griff | 11. September 2017

Die Überschwemmungen im kunststoffkritischen Texas haben mich daran erinnert, dass wasserbeständige Kunststoffprodukte – Boote, Planen, Taschen aller Art – viel Eigentum und sogar Leben retten, aber beim Extrudieren, wie in Houston und Florida, ist Wasser oft ein Feind .

Dies geschieht auf eine von zwei Arten (oder auf beide):

Samuel Taylor Coleridges Ancient Mariner, der sagte: „Überall Wasser, kein Tropfen zum Trinken“, wird hier von Gustave Doré illustriert. Beachten Sie, dass der Mastträger wie eine Extruderschnecke aussieht.

Kosmetik – Das vom Harz absorbierte Wasser verdampft beim Verlassen der Form und erzeugt Blasen, Vertiefungen oder gepunktete Linien auf der Produktoberfläche. Im Extruder erreicht es deutlich über 100 °C (212 °F), aber der Druck ist zu hoch, um ein Sieden zu ermöglichen, und das Wasser bleibt in flüssiger Form, bis sein Druck beim Passieren der Düsenlippen abfällt.

Als grobe Regel gilt, dass alles über 0,1 % Wasser (eine 16-Unzen-Wasserflasche in einem Gaylord) sichtbare Spuren hinterlässt, aber auch Formulierung, Düsenaustrittsgeschwindigkeit und Absinken haben Auswirkungen.

Viele Polymere (wie ABS und PMMA) absorbieren mehr als diese Menge aus der normalen Atmosphäre; andere (PS) sind grenzwertig genug, um bei hoher Luftfeuchtigkeit sichtbar zu sein; und einige (PE, PP, PVC) nehmen überhaupt keine Feuchtigkeit auf.

Das lässt sie jedoch nicht vom Haken, da sie Zusatzstoffe wie weiße oder schwarze Farbstoffe und Füllstoffe wie Holz oder Kalziumkarbonat enthalten können. Oder die Polymere sind möglicherweise nass geworden, weil sie draußen im Regen oder drinnen unter einem undichten Dach gelagert wurden, oder sogar aus einer Kaltwasserleitung über einem offenen Trichter, an der Warmluftwasser kondensiert.

Chemische Reaktion —Einige Polymere sind Kondensationspolymere, insbesondere Polyester (wie PET), Polycarbonate und die Nylonfamilie (Polyamid). Diese werden alle durch Reaktion eines -H eines Monomers mit einem -OH eines anderen hergestellt, um H-OH = H₂O = Wasser zu erzeugen.* Das Wasser wird im Herstellungsprozess ausgetrieben, die beiden losen Enden verbinden sich und das resultierende Polymer entsteht ist tatsächlich wasserbeständig. Wenn es jedoch heiß genug wird, wie beim Schmelzen in einem Extruder, wollen alle Wassermoleküle in der Umgebung dorthin zurückkehren, wo sie hergekommen sind, und brechen so die Kette, die bei der ursprünglichen Reaktion gebildet wurde. Die Wassermenge, die die Ketten ernsthaft beschädigen kann, ist weitaus geringer als die Menge, die zur Vermeidung sichtbarer (kosmetischer) Flecken erforderlich ist – es ähnelt eher einem Löffel Wasser als einer 16-Unzen-Flasche in einem Gaylord.

Also was können wir tun? Die beiden häufigsten Möglichkeiten, diese Probleme zu vermeiden, sind Vortrocknung und Entlüftung. Bei der Vortrocknung wird das Futter mit heißer Luft in seinem Trichter über dem Extruder oder in einem ähnlichen Behälter in der Nähe erhitzt und dem Extruder kontinuierlich zugeführt. Der Trichter muss groß genug sein, um dem zu trocknenden Material genügend Trocknungszeit zu ermöglichen. Das Futter ist daher heiß, aber immer noch fest, und die Extrusionsbedingungen sind nicht die gleichen wie bei Futter mit Raumtemperatur.

Bei der Entlüftung befindet sich im Zylinder ein Loch – bei Einzelschnecken etwa 70 % stromabwärts der Zufuhr; Bei Zwillingen variiert der Ort. Schneckenkonstruktionen unterscheiden sich von Systemen ohne Entlüftung, da sie an der entlüfteten Stelle tiefe Kanäle aufweisen, die dort teilweise voll laufen, sodass nichts aus der Entlüftung austritt (obwohl dies manchmal der Fall ist). Wenn das Material die Entlüftungsöffnung erreicht, ist es heiß genug, um das dort befindliche Wasser abzukochen, insbesondere wenn ein Vakuum angelegt wird. Das Vakuum entfernt auch Luft, wie es bei den meisten pulvergespeisten Leitungen erforderlich ist.

Für die PE-PP-PS-Harze ist in der Regel beides ausreichend, für ABS, PMMA und die Kondensationspolymere jedoch nicht unbedingt. Die traditionelle Methode hierfür ist ein Entfeuchtungs-Trichter-Trockner, bei dem Luft durch ein Trockenmittel und dann durch das Material in einem Trichter geleitet wird, der groß genug ist, um die erforderliche Trocknungszeit zu gewährleisten. Dies kann je nach Harz, Partikelgröße, Lufttemperatur und Trocknerkonstruktion bis zu sechs Stunden dauern. Es gibt andere Trocknungsmethoden – Gefrieren, Infrarot, Vakuum –, aber Belüftungsöffnungen sind zu einer praktikablen Alternative geworden, insbesondere (aber nicht nur) für PET in Doppelschneckenmaschinen. Um genügend Feuchtigkeit zu entfernen und Kettenbrüche so gering wie möglich zu halten, müssen solche Leitungen schnell laufen (reduzierte Verweilzeit) und die Zufuhrgeschwindigkeit muss optimiert werden.

Ist es jemals gut, etwas Wasser im Material zu haben? Ja, für Nylons (Polyamide), die durch Wasser plastifiziert werden, sodass die Viskosität verringert wird und weniger Wärme entsteht. Zu trocken bedeutet eine höhere Viskosität und mehr Reibungswärme, was ebenfalls zu Problemen führen kann. Dies ist besonders wichtig beim Spritzgießen, wo ein gutes Fließen in der Form wichtig ist, aber auch beim Extrudieren sollte der Feuchtigkeitsgehalt von Nylons genau beobachtet werden.

* Ich weiß, dass die meisten PCs und einige PETs andere Reaktionsprodukte als Wasser haben, aber das Ergebnis ist das gleiche – Wasser kann immer noch dorthin zurückfließen, wo diese anderen Produkte ausgetrieben wurden, und das Futter muss immer noch getrocknet werden.

Allan Griff ist ein erfahrener Extrusionsingenieur, der im technischen Service eines großen Harzlieferanten begann und nun seit vielen Jahren selbstständig arbeitet, als Berater, Sachverständiger in Rechtsfällen und insbesondere als Dozent im Rahmen von Webinaren und Seminaren öffentlich und intern. Er schrieb bereits in den 1960er-Jahren das erste praktische Extrusionsbuch sowie das Plastics Extrusion Operating Manual, das fast jedes Jahr aktualisiert wird und sowohl auf Spanisch und Französisch als auch auf Englisch erhältlich ist. Erfahren Sie mehr auf seiner Website www.griffex.com oder senden Sie ihm eine E-Mail an [email protected].

Zu Griffs Herbst-Winter-Aktivitäten gehören öffentliche eintägige Seminare zur Einführung in die Extrusion in Houston, Toronto und Chicago sowie ein Vortrag über Grenzen der Produktionsrate am 19. Oktober auf der Extrusion 2017-Konferenz in Charlotte, NC.

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