Artikel Alles unter Kontrolle

In den letzten Jahren wurden die Anforderungen an Kunststoff- und Kautschukprodukten immer anspruchsvoller, die Einsatzgebiete immer differenzierter. Zunehmend sind maßgeschneiderte Kunststoffmischungen mit individuellen Verarbeitungs- und Gebrauchseigenschaften gefordert, deren Komponenten sehr sorgfältig aufeinander abgestimmt werden müssen. Hersteller solcher Stoffe befinden sich häufig in einem Dilemma: Mit einem klassischen Batchsystem, beispielsweise einem Innenmischer, lassen sich zwar sehr homogene Compounds mit den gewünschten Materialeigenschaften herstellen, allerdings unter Inkaufnahme der Nachteile des diskontinuierlichen Prozesses, wie erhöhter Personal-, Zeit- und Platzbedarf sowie hoher Reinigungsaufwand. Kontinuierlich arbeitende Systeme wie der Doppelwellenextruder stoßen bei komplexen Materialien und Rezepturen hingegen schnell an ihre Grenzen, da sich die Prozessparameter nur in engen Grenzen beeinflussen lassen. So reichen die geringen Verweilzeiten im Extruder für das Einmischen von festen Substanzen mit Korngrößen im Nanometerbereich in vielen Fällen nicht aus, um die erstrebenswerten stochastischen Zufallsverteilungen der Feststoffpartikel in zähflüssigen polymeren Bindemitteln zu erzielen. Andererseits können empfindliche Füllstoffe durch zu hohe Scherkräfte zerstört werden, oder das Produkt heizt sich während des Verarbeitungsprozesses so stark auf, dass die Produktqualität insgesamt leidet. Aber nicht nur hinsichtlich des Prozessergebnisses erweist sich der Extruder häufig als unflexibel: Produktwechsel erfordern in der Regel einen aufwendigen Umbau des Systems, das darüber hinaus – in Zeiten steigender Energiekosten zunehmend ein Problem – viel Energie verbraucht.

Sechs Kammern für ein optimales Prozessergebnis

Die beschriebenen Nachteile vermeidet das kontinuierliche Mehrkammer-Knetsystem Conterna, das die Zeit- und Kostenvorteile eines kontinuierlichen Prozesses mit der gründlichen und schonenden Verarbeitung in einem Batchprozess verbindet. Das aktuelle Produktdesign mit um 80% erhöhter Antriebsleistung und weiteren Verbesserungen prädestiniert das System noch mehr für anspruchsvolle Anwendungen in der Kunststoffindustrie. Das Mehrkammersystem ermöglicht das kontinuierliche Kneten, Dispergieren, Benetzen und Plastifizieren von Feststoffen in einer flüssigen, thermoplastischen oder schmelzförmigen Bindermatrix in sehr feiner und gleichmäßiger Verteilung.

Ein kontinuierlicher Mischvorgang wird durch das Hintereinanderschalten von mehreren – in der Regel sechs – Bearbeitungskammern erreicht, die zu einem Block zusammengefasst sind. Das in die erste Kammer eingebrachte feste oder flüssige Material wird von paarweise angeordneten Knetschaufeln kontinuierlich von Arbeitskammer zu Arbeitskammer weitergeleitet, um aus der letzten Bearbeitungskammer ausgetragen zu werden. Über Zuführöffnungen an der Oberseite lassen sich in jede Kammer – mit Ausnahme der letzten – Flüssigkeiten und Feststoffe zudosieren. Das fertig gemischte Produkt verlässt die letzte Knetkammer entweder über eine Austragsdüse, eine angeflanschte Zahnradpumpe oder einen Extruder. Das Austragssystem wird in Abhängigkeit vom Material und der gewünschten Art der Weiterverarbeitung gewählt – auf diese Weise lassen sich beispielsweise geformte Stränge herstellen oder Formen sowie Behälter unter Druck füllen.
In jeder Bearbeitungskammer befinden sich zwei übereinander angeordnete Duplex-Knetschaufeln, die sich in ihrer Kontur überlappen und so wechselseitig reinigen. Die obere Knetschaufel kann wahlweise zwei- oder vierflügelig sein, während die untere, doppelt so schnell drehende Knetschaufel stets zweiflügelig ist. Jede Kammer verfügt über einen separaten Antrieb, sodass jedes Schaufelpaar individuell und stufenlos in der Drehzahl regelbar ist. Bei der aktuellen Maschinengeneration kommt zu diesem Zweck ein hocheffektiver Frequenzumrichterantrieb zum Einsatz. Neben den Duplex-Schaufeln stehen jetzt auch spezielle, sechsflügelige Knetschaufeln für Materialien mit sehr hoher Viskosität zur Wahl, die eine geringere Schaufelfläche aufweisen. Hierdurch lassen sich die Scherkräfte um bis zu 250% erhöhen.

Kontinuierliches Verfahren mit der Qualität eines Batchsystems

Der Stoffaustausch im Mehrkammer-Knetsystem geschieht durch Scherung, Stauchung, mechanisches Aufteilen und Umlagern der Mischungskomponenten. Die relative Bewegung der Knetschaufeln streckt beziehungsweise verformt das Material zwischen Knetschaufel und Kammerwand. Die Scherkräfte ziehen die festen Agglomerate auseinander, die Materialstreifen werden dünner und das Homogenisieren der Füllstoffe in der Bindermatrix erleichtert. Die Umlagerungs- und Freilegungsvorgänge von frischen Oberflächen verursachen in den Knetkammern intensive Mischvorgänge, die von einem Extruder nicht in einem Durchgang erbracht werden können. Als weiterer Vorteil für die Qualität und Homogenität der erhaltenen Compounds ist das durch die örtlich verstärkte Scherung bedingte Rückmischen des Materials anzusehen: Auf diese Weise lassen sich eventuelle Dosierschwankungen bei Zugabe der Rohstoffe ausgleichen. Im Bezug auf die erreichbare Qualität und Präzision der Mischungen steht das kontinuierliche Mehrkammer-Verfahren einem Batchverfahren somit in nichts nach.

In jeder Bearbeitungskammer kann der Mischvorgang individuell eingestellt und die Mischungsqualität durch Vorwahl der Verweilzeit des Knetgutes in der Maschine optimiert werden. Die Verweilzeiten liegen in Abhängigkeit vom Mischungsverhalten des Materials zwischen rund 10 und 60min. Zum Vergleich: In einem Extruder stehen je nach Länge und Drehzahl des Extruders nur eine Verarbeitungszeit von 0,5 bis 4min zur Verfügung, die für viele Prozesse nicht ausreicht. Auch die Drehzahl der Knet-schaufeln lässt sich so steuern, dass eine intensive und zugleich schonende Mischwirkung entsteht; die bei der Extrusion bekannterweise auftretenden hohen Scherkräfte und die damit verbundenen Temperaturspitzen können gänzlich vermieden werden.
Neben der Verweilzeit und der Drehzahl der Knetelemente lässt sich auch die Temperatur über den gesamten Prozessablauf sehr präzise steuern, da sowohl der Knetkammerblock und der Knetkammerdeckel (beide doppelwandig) als auch die – hohlen – Knetschaufeln jeweils separat beheiz- oder kühlbar sind. Auch die durch Friktion erzeugte Wärme kann auf diese Weise problemlos abgeführt werden. Umgekehrt können durch das Aufheizen der Kammerwände und – besonders effektiv – der Knetschaufeln auf eine Temperatur bis zu 280°C auch Hochtemperaturprozesse gefahren werden, ohne dass eine externe Vorheizung der Komponenten erforderlich ist. Auf diese Weise wird das Einsatzspektrum des Verfahrens im Kunststoffbereich nochmals erheblich erweitert.

Geringer Platzbedarf undhohe Flexibilität

Neben den beschriebenen verfahrenstechnischen Vorteilen, die eine besonders hochwertige Produktqualität ermöglichen, stellt das Mehrkammersystem auch wirtschaftlich eine Alternative zu Extrudern und Batchsystemen dar. So lassen sich Mengenänderungen und Produktwechsel meist einfacher bewerkstelligen als in einem Extruder: Um Produkte unterschiedlicher Viskositäten im gleichen System zu verarbeiten, müssen nur Parameter und Drehzahl angepasst werden, ein Austausch von Teilen ist in der Regel nicht erforderlich. Bei Bedarf lassen sich die Öffnungen zwischen den einzelnen Knetkammern durch auswechselbare Schieber in ihrer Größe und Form anpassen. Auf diese Weise kann bei Materialien mit niedrigerer Viskosität Einfluss auf den Füllgrad jeder Kammer genommen werden. Die Knetschaufeln einzelner Kammern lassen sich ebenfalls leicht wechseln.

Zudem ist das Verhältnis von benötigtem Raum und benötigter Energie zur Produktionskapazität der – selbst mit kompletter Peripherie – sehr kompakten Maschine besonders günstig: Bei entsprechender Kammergröße sind Produktionskapazitäten von mehreren Tonnen pro Stunde mit minimalem Personalaufwand und im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren erheblich reduziertem Platz- und Energiebedarf möglich. Auch der Reinigungs- und Wartungsaufwand der Anlage ist minimal: Der Knetkammerblock ist auf Linearführungen befestigt und lässt sich mittels Hydraulikzylinder horizontal verschieben, sodass die Knetwerkzeuge problemlos zugänglich sind. Dies ist insbesondere dann ein Vorteil, wenn kleine Losgrößen unterschiedlicher Produkte im Wechsel gefahren werden sollen.

Vielfältige Anwendungen in der Kunststoffverarbeitung

Entwickelt wurde das Mehrkammer-Knetsystem für die Verarbeitung hochviskoser Produkte in unterschiedlichsten Branchen. Speziell im Kunststoffbereich hat sich das Maschinenkonzept bereits vielfach bewährt: Wo herkömmliche kontinuierliche Verfahren wie der Extruder versagen oder ein aufwendiger Batchprozess rationalisiert werden soll, kann der Einsatz des Mehrkammersystems deshalb eine sinnvolle und wirtschaftliche Alternative sein. Neben den flexiblen Anpassungsmöglichkeiten an den Prozess und die gewünschte Produktqualität sowie den geringen Personal-, Platz- und Energiebedarf amortisieren sich die im Vergleich zu anderen Systemen höheren Anschaffungskosten in kurzer Zeit.

Für viele anspruchsvolle Anwendungen im Kunststoffbereich liegen bereits umfangreiche Erfahrungen vor – unter anderem für die Herstellung von hochgefüllten Compounds, beispielsweise Polymeren mit mineralischen Füllstoffen oder Glasfaser-Polyesterharzen, von Kautschuk-Masterbatches mit unterschiedlichen Zuschlagsstoffen, von Konzentratgranulaten, Klebstoffen, Dichtungsmassen sowie von kunststoffbasierten Farben und Lacken. Im Technikum des Herstellers steht zudem eine Sechskammermaschine im aktuellen Produktdesign mit 2l Kammervolumen zur Verfügung, mit der neue Anwendungen ausgiebig getestet werden können. Ein anschließendes Scale-up der Anwendung ist problemlos möglich, da eine komplette Baureihe, von der Labor- bis zur Produktionsanlage, zur Verfügung steht.

Das System wird mit sechs Bearbeitungskammern in Standardgrößen von 2, 10, 25, 50 oder 100l angeboten, womit sich Durchsätze von rund 10 bis 4000l/h realisieren lassen. Ausführungen mit mehr oder weniger Kammern oder abweichenden Kammervolumina sind ebenfalls möglich. In Abhängigkeit von den verarbeiteten Materialien stehen zudem verschiedene Dichtungssysteme zur Verfügung: Spaltdichtungen mit Fördergewinde, Gleitringdichtungen, Radialwellendichtringe mit vorgeschalteten Dichtscheiben sowie Stopfbuchspackungen. Die Anlagen werden auf Wunsch komplett mit Einlass-, Dosier- und Austragssystemen geliefert oder sogar komplette Produktionslinien mit integriertem Mehrkammer-Knetsystem anwendungsspezifisch zusammengestellt.

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Für Anwender

• Bei anspruchsvollen Kunststoffmischungen mit einem hohen Anteil an Füllstoffen oder empfindlichen Komponenten ist das mit einem Extruder erreichbare Prozessergebnis oftmals nicht zufriedenstellend.
• Diese Nachteile vermeidet das kontinuierliche Mehrkammer-Knetsystem Conterna, das die Zeit- und Kostenvorteile eines kontinuierlichen Prozesses mit der gründlichen und schonenden Verarbeitung in einem Batchprozess verbindet.
• Das Mehrkammersystem ermöglicht das kontinuierliche Kneten, Dispergieren, Benetzen und Plastifizieren von Feststoffen in einer flüssigen, thermoplastischen oder schmelzförmigen Bindermatrix in sehr feiner und gleichmäßiger Verteilung.
• Auch lassen sich Mengenänderungen und Produktwechsel meist einfacher bewerkstelligen als in einem Extruder.
• Bei entsprechender Kammergröße sind Produktionskapazitäten von mehreren Tonnen pro Stunde mit minimalem Personalaufwand und erheblich reduziertem Platz- und Energiebedarf möglich.

Autor: Jörg Lang , IKA-Werke
Ausgabe:12/2009 Dezember