Energieeffiziente Verarbeitung naturfaserverstärkter Kunststoffe

SPRITZGIESSEN
■
Verfahrenstechnik. Die
Verarbeitung von naturfaserverstärkten
Kunststoffen
in einem energieoptimierten
einstufigen
Produktionsablauf hat
große Vorteile: Die empfindlichen
Naturfasern
werden geschont, Geruchsemissionen
während
Kein Granulat, kein Halbzeug – naturfaserverstärkte Kunststoffteile können mit einem energieeffizienten
Prozess direkt hergestellt werden
der Verarbeitung sowie aus den Fertigteilen vermindert – und da für das Spritzgießen
auf die Zwischenstufe Granulat verzichtet wird, sind gegenüber einem
zweistufigen Verarbeitungsprozess Energieeinsparungen von über 40 % möglich.
Energieeffiziente
Verarbeitung naturfaserverstärkter
Kunststoffe
ERWIN BÜRKLE
GERHARD SCHEEL
LARS DARNEDDE
ARTIKEL ALS PDF unter www.kunststoffe.de
Dokumenten-Nummer KU110031
Wachsendes Umweltbewusstsein
wie auch die steigenden Rohstoffkosten
haben in den letzten
Jahren die Suche nach alternativen Werkstoffen
beschleunigt.Von besonderem Interesse
sind dabei nachwachsende Rohstoffe,
die als CO 2 -neutrale Werkstoffe die
Klimabilanz verbessern helfen. Nicht zuletzt
aufgrund der steigenden Energiekosten
setzt parallel dazu langsam ein Umdenken
bezüglich der Energieeffizienz
von Verarbeitungsverfahren ein.
Energieverluste in Fertigungsprozessen
werden bislang als notwendiges Übel einer
hochwertigen Produktion in Kauf genommen.
Das betrifft besonders Prozesse,
die mit Änderungen des Materialzustands
einhergehen. Dabei lassen sich bereits
durch optimierte Abläufe, etwa
durch Verfahrensintegration und verkürzte
Prozessketten, je nach Einzelfall
Energieeinsparungen von bis zu 40 % erzielen,
wie die KraussMaffei Technologies
GmbH, München, in Untersuchungen ermittelte.
Ziel ist folglich, energieintensive
Prozesse entweder zu substituieren
oder sogar zu eliminieren.
Vergleich der
Verfahrenstechniken
In der Herstellung von Bauteilen aus Naturfaser-Verbundwerkstoffen
gewinnen
die Direktverfahren – Prozesse in einer
Wärme – zunehmend an Bedeutung. Einstufige
Verfahren bieten neben der höheren
Energieeffizienz noch den Vorteil der
Emissionsminderung. Um die Werkstoffaufbereitung
und die Formgebung zusammenzuführen,
griff KraussMaffei auf
zwei Kernkompetenzen zurück und kombinierte
die kontinuierliche Extrusion mit
dem diskontinuierlichen Spritzgießprozess
in einer Maschine.
Als Matrix kommen für die Herstellung
naturfaserverstärkter Verbundwerkstoffe
auf thermoplastischer Basis überwiegend
Polyolefine und PVC infrage.
Beide haben einen niedrigen Schmelzpunkt,
was die Gefahr einer thermischen
Schädigung der temperaturempfindlichen
Naturfasern minimiert. Die aktuell
wichtigsten Naturfasern für technische
Anwendungen sind Hanf, Jute, Kenaf, Sisal
und Kokos sowie verschiedene Holzfasern.
Für die Verarbeitung auf einem
Extruder können die Fasern als Mehl,
Späne, Einzelfasern, Endlosfasern oder
Gewölle vorliegen. Die Werkstoffeigenschaften
werden durch die Zugabe von
Additiven eingestellt, etwa um die Bindung
der polaren Naturfasern zu den un-
V
Kunststoffe 2/2009
39

■
SPRITZGIESSEN
polaren Polyolefinen zu verbessern [1].
Andere gängige Additive sind UV-Stabilisatoren,
Schlagzähigkeitsmodifikatoren
sowie Farbmasterbatches.
Für die Herstellung faserverstärkter
Kunststoffe bieten sich verschiedene Verfahren
an, wobei man grundsätzlich zwischen
ein- und zweistufigen Prozessen
unterscheidet (Bild 1).
Zweistufige Prozesse
Heiz-Kühl-
Mischer
Rohstoffe (Polymer, Naturfasern, Additive)
gegenlaufender
Zweischneckenextruder
Profil, Folie, Platte
gleichlaufender
Zweischneckenextruder
Agglomerat Granulat Granulat Spritzgießcompounder
Naturfaservortrocknung
Schmelzepumpe
Spritzgießmaschine
Formteil
© Kunststoffe
Bild 1. Bei der Herstellung von Teilen aus naturfaserverstärkten Kunststoffen unterscheidet man
grundsätzlich zwischen ein- und zweistufigen Prozessen. Letztere führen über ein Granulat als
Zwischenstufe (Bilder: KraussMaffei)
Enthalpiekurven
spez. Enthalpie
i
3000
kJ/kg
2000
1500
1000
500
0 0
Hersteller
KraussMaffei Technologies GmbH
Krauss-Maffei-Str. 2
D-80997 München
Tel. +49 89 8899-3092
Fax +49 89 8899-2592
KraussMaffei Berstorff GmbH
An der Breiten Wiese 3-5
D-30625 Hannover
Tel. +49 511 5702-0
Fax +49 511 5619-16
info@kraussmaffei.com
www.kraussmaffei.com
Polypropylen
Holz
Wasser
50 100 150 200 250 °C 300
Schmelzetemperatur
© Kunststoffe
In einem doppelmantelbeheizten Mischbehälter
wird mit einem Mischwerkzeug
diskontinuierlich ein Agglomerat erzeugt
und anschließend in einem Kühlmischer
abgekühlt und zerkleinert. Dieses Verfahren
eignet sich sowohl für PVC als
auch für Polyolefine.
Alternativ lässt sich Granulat kontinuierlich
auf einem gleichlaufenden Zweischneckenextruder
mit dichtkämmend
angeordneten, gleichsinnig drehenden
Schnecken herstellen, der von einer gravimetrischen
Dosiereinheit beschickt
wird. Axial offene Schneckengänge bewirken
die effektive Entgasung der
Schmelze, weshalb die Naturfasern ohne
Vortrocknung zugegeben werden können.
Die anschließende Granulierung erfolgt
mit Unterwasser- oder Kühlluftgranulatoren.
Gegenüber einem Heiz-Kühl-Mischer
verbessert die intensive Vermischung der
Rohstoffe die Dispergierqualität wesentlich.
Da die eingeleitete Scherenergie
höher ist, sind gleichlaufende Zweischneckenextruder
jedoch nicht für die
Verarbeitung von PVC als Matrixmaterial
geeignet.
Das mit diesen beiden Verfahren produzierte
Granulat lässt sich auf herkömmliche
Art weiterverarbeiten. Zu
berücksichtigen ist dabei die erneute thermische
Belastung der Naturfasern.
Einstufige Prozesse
Bild 2. Die spezifischen
Enthalpien der
eingesetzten Rohstoffe
hängen von der
Temperatur ab [2, 3].
Sowohl bei der Compound-
als auch bei
der Profilherstellung
liegt die maximale
Schmelzetemperatur
bei 200 °C
Die Kombination aus Vortrocknung der
Naturfasern und direkt anschließender
Verarbeitung auf einem gegenlaufenden
Zweischneckenextruder ist eine weitere
Alternative. Das Kammerprinzip des Extruders
erlaubt einen hohen Druckaufbau
bei geringer Scherenergieeinleitung.
Wegen des schlechten Entgasungsverhaltens
müssen die Naturfasern bis höchstens
1 % Restfeuchte vorgetrocknet werden.
Da der Extruder kontinuierlich läuft,
eignet sich diese Methode für Produkte
wie Platten oder Profile.
Werden die einzelnen Rohstoffe einem
gleichlaufenden Doppelschneckenextruder
zugeführt, kann die Herstellung naturfaserverstärkter
Kunststoffe und deren
direkte Verarbeitung ebenfalls in einem
Durchgang erfolgen – je nach Konstellation
entweder mit Schmelzepumpe und
angeschlossenem Extrusionswerkzeug zu
Profilen und Platten oder in Kombination
mit einem Schmelze-Zwischenspeicher,
einem speziellen Einspritzaggregat
sowie einer Schließeinheit auf einem
Spritzgießcompounder (Injection Molding
Compounder, IMC) zu Formteilen.
Energetischer
Verfahrensvergleich
Um die einzelnen Verfahren energetisch
miteinander zu vergleichen, wurden die
zur Herstellung eines WPC-Profils
(Wood Plastic Composites) benötigten
Wärmeenergien ermittelt. Das Profil besteht
aus Polypropylen, das 60 % Holzfasern
mit einer angenommenen Feuchte
von 12 % enthält. Der Durchsatz beträgt
200 kg/h.
In die nachfolgenden Berechnungen
sind die Stoffdaten der Holzfasern zweigeteilt
eingegangen: einmal mit den Daten
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M
SPRITZGIESSEN
■
Rohstoffe (Polymer, Naturfasern)
Rohstoffe (Polymer, Naturfasern)
Heiz-Kühl-
Mischer
gleichlaufender
36,7 kW Zweischneckenextruder
36,7 kW
Holzfasernvortrocknung
gleichlaufender
14,8 kW Zweischneckenextruder
35,9 kW
Agglomerat
Granulat
gegenlaufender
Zweischneckenextruder
25,0kW
gegenlaufender
Zweischneckenextruder
25,0kW
gegenlaufender
Zweischneckenextruder
Schmelzepumpe
21,9 kW 0,85 kW
WPC-Profil
61,7 kW
0,3088 kWh/kg
WPC-Profil
61,7 kW
0,3088 kWh/kg
36,7 kW
0,1835 kWh/kg
36,7 kW
0,1835 kWh/kg
© Kunststoffe
© Kunststoffe
Bild 3. Die zweistufige Herstellung von WPC-Profilen ist energieaufwendiger
als die einstufige. Dass dabei auch der gegenlaufende Zweischneckenextruder
einen höheren Energiebedarf hat (vgl. Bild 4), resultiert
aus dem Umstand, dass das kalte Ausgangsmaterial erneut aufgeschmolzen
werden muss
Bild 4. Die Direktextrusion von WPC-Profilen benötigt gegenüber dem
zweistufigen Prozess rund 40 % weniger Wärmeenergie. Je nach Wirkungsgrad
der Verfahren sind die tatsächlich benötigten Energien größer.
Da die Faservortrocknung einen niedrigen Wirkungsgrad hat, kann die
Direktextrusion als das wirtschaftlichste Verfahren gelten
für darrtrockenes Holz sowie zur Berücksichtigung
der in den Holzfasern enthaltenen
Feuchtigkeit mit den Stoffdaten für
Wasser. Für die Berechnung wurde ferner
angenommen, dass während der Verarbeitung
die Feuchtigkeit vollständig aus
den Holzfasern entweicht, weil das Wasser
aufgrund der Druckverhältnisse im Extruder
bereits bei 100 °C verdampft.
Aus den Annahmen leiten sich die Produktströme
für die Zugabe ab:
■ Polypropylen 80 kg/h,
■ Holzfasern 120 kg/h,
■ Wasser 16,4 kg/h.
Dabei liegt sowohl bei der Compound- als
auch bei der Profilherstellung die maximale
Schmelzetemperatur bei 200 °C. Die
spezifischen Energien der eingesetzten
Rohstoffe hängen von der Temperatur ab
(Bild 2), auf dieser Basis lassen sich nun
die benötigten Wärmemengen berechnen,
um die Rohstoffe von Zugabe- (25 °C) auf
Verarbeitungstemperatur zu bringen:
.
Q = m
. Δh
mit Δh = Änderung der spezifischen Enthalpie.
Für die Herstellung eines WPC-Profils
im zweistufigen Prozess ergeben sich für
die beiden betrachteten Verfahrensvarianten
mit jeweils 61,7 kW identische Werte
für die benötigte Wärmeenergie. Vo-
rausgesetzt, das Compound nimmt bei
der Zwischenlagerung keine Feuchtigkeit
auf, muss lediglich die Verarbeitungstemperatur
auf 200 °C gebracht werden.
Der gegenüber dem einstufigen Prozess
höhere Energiebedarf des gegenlaufenden
Zweischneckenextruders resultiert
aus dem Umstand, dass das Ausgangmaterial
kalt ist und erneut aufgeschmolzen
werden muss (Bild 3).
Bei der Direktextrusion von WPC-Profilen
werden die Holzfasern für den gegenlaufenden
Zweischneckenextruder auf
eine Restfeuchte von etwa 1 % vorgetrocknet.
Die übrigen Rohstoffe werden
anschließend im Extruder auf Verarbei-
V
Naturfasern
Polymer
Vakuum
Atm.
ZSFE
M M
M
Atm.
Additive
Bild 5. Prinzipschema: Die
Naturfaserextrusion beginnt
mit dem gravimetrischen Dosieren
des Polymers und der
Additive und endet damit,
dass der für die Granulierung
benötigte Druck aufgebaut
oder die Schmelze direkt für
die weitere Verarbeitung an
eine Schmelzepumpe übergeben
wird
Druckaufbau
Naturfaser-
NF-
Entgasung Entlüftung einarbeitung einzug Entlüftung Plastifizierung Feststoffeinzug
© Kunststoffe
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■
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tungstemperatur erwärmt. Es gilt die Annahme,
dass die vorgewärmten Fasern direkt
in den Fülltrichter des Extruders gegeben
werden. Unter Berücksichtigung
der für den Druckaufbau erforderlichen
Schmelzepumpe entspricht die hier
benötigte Wärmeenergie mit 36,7 kW
derjenigen, die der Extruder im zweistufigen
Prozess verbraucht (Bild 4).
Demnach benötigt die Direktextrusion
gegenüber dem zweistufigen Extrusionsprozess
rund 40 % weniger Wärmeenergie,
die in Form von Heiz- bzw. Antriebsleistungen
eingebracht wird. Je nach Wirkungsgrad
der verschiedenen Herstellverfahren
sind die tatsächlich benötigten
Energien größer. Vor dem Hintergrund,
dass die Faservortrocknung in der Regel
© Kunststoffe
ein Verfahren mit niedrigem Wirkungsgrad
ist, lässt sich aus energetischer Sicht
der Schluss ziehen, dass die Direktextrusion
das wirtschaftlichste Verfahren ist.
Verfahrenstechnik 1:
Direktextrusion
Bild 6. Die Charakteristik
gleichlaufender
Zweischneckenextruder
bietet für die
Verarbeitung empfindlicher
Naturfasern
einige Vorteile
Die Direktverarbeitung von Naturfasercompounds
erfolgt auf dem gleichlaufenden
Zweischneckenextruder in Etappen
(Bild 5). Nach dem gravimetrischen
Dosieren des Polymers und der Additive
werden die Feststoffe aufgeschmolzen,
ehe eine Zweischneckenfüttereinrichtung
der Schmelze die Naturfasern drucklos
zuführt. Auch die Fasern werden gravimetrisch
zudosiert. Über eine atmosphärische
Rückwärtsentlüftung entweichen
Luft und Feuchtigkeit. Wenn die
Naturfasern in die Schmelze eingearbeitet
worden sind, kann auf einer Entlüftungsstrecke
die freigesetzte Feuchtigkeit
bei atmosphärischem Druck entweichen.
Zuletzt ermöglicht eine Vakuumentgasungszone
die vollständige Entfernung
der niedermolekularen Bestandteile und
der Restfeuchtigkeit. Nun wird der für
eine angeschlossene Granulierung
benötigte Druck aufgebaut – oder die
Schmelze wird direkt für die weitere Verarbeitung
einer Schmelzepumpe übergeben.
Die Charakteristik gleichlaufender
Zweischneckenextruder bietet für die Verarbeitung
empfindlicher Naturfasern einige
Vorteile, unter anderem
■ einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch
durch kontinuierliche Übergabe
der Schmelze von Schnecke zu
Schnecke (Bild 6),
■ ein drehzahlunabhängiges Durchsatzvermögen,
■ eine annähernd vollständige Selbstreinigung
und ein enges VerweiIzeitspektrum
durch die dichtkämmende
Schneckenanordnung,
■ eine effektive Entgasung der Schmelze
durch axial offene Schneckengänge
sowie
Einstufiger Compoundier-Spritzgießprozess
Bei der Betrachtung des Energieumsatzes für die Materialaufbereitung
gilt für die Enthalpieänderung durch Heiz- und Dissipationsenergie
. . . .
Q = Q + Q = mΔh
und für den spezifischen Energieumsatz
.
. Q
q = . = Δh
m
Am Beispiel des über eine Granulatstufe führenden Zweistufenprozesses
bedeutet das für ein PP-Flachs-Composite
mit 20 Gew.-% Flachs
.
q ZP
H
Dis
= Δh 1
+ Δh 2
Bei der untersuchten Maschinenkonfiguration ergibt sich für
den Compoundierschritt ein Messwert von
Δh 1 = 0,17 kWh/kg
und für das Spritzgießen
diskontinuierlicher
Spritzgießprozess
kontinuierlicher Prozess
gleichlaufender
Zweischneckenextruder
Δh 2 = (0,34 + 0,32) = 0,65 kWh/kg
Daraus errechnet sich für den Zweistufenprozess
.
q ZP
= 0 ,17 + ( 0,34 + 0,32) = 0,83 kWh/
kg
Bild 7. Die Naturfasern werden mit Knetblöcken in die Schmelze eingearbeitet.
Die Schneckenelemente bestehen aus mehreren axial nacheinander
angeordneten und winkelversetzten Knetscheiben
Für den einstufigen Compoundier-Spritzgießprozess gilt hingegen
.
q EP
= 0 ,17 + 0,32 = 0,49 kWh/
kg
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SPRITZGIESSEN
■
Bild 8. Alternativ bieten sich für das Einarbeiten der Fasern Multi-Process-Elemente (verschiedene Ausführungen
abgebildet) an, die nach dem Mischkammerprinzip arbeiten
■ eine optimale Anpassung an die Verfahrensaufgabe
durch den modularen
Gehäuse- und Schneckenbaukasten.
Die Baureihe ZE-R (Hersteller: Krauss-
Maffei Berstorff) mit einem Durchmesserverhältnis
von 1,74 eignet sich besonders
für die Naturfaserextrusion. Ihre tief
geschnittenen Schneckengänge erleichtern
die Abfuhr der von den Naturfasern
freigesetzten Feuchtigkeit als Wasserdampf.
Mit den Extrudern dieser Baureihe
lassen sich Naturfasern mit einem
Feuchtegehalt von bis zu 12 % ohne Vortrocknung
verarbeiten.
Normalerweise werden die Naturfasern
mit Knetblöcken in die Schmelze
eingearbeitet (Bild 7). Dabei handelt es
sich um Schneckenelemente, die aus
mehreren axial nacheinander angeordneten
und winkelversetzten Knetscheiben
bestehen. Je nach Verfahrensaufgabe
variieren dabei Scheibenbreite, Versatzwinkel
und Förderrichtung. Die dicht
kämmenden Knetscheiben bedingen aufgrund
der engen Spalte hohe Schergeschwindigkeiten,
die den Abbau der Naturfaserbestandteile
forcieren.
Alternativ bieten sich für das Einarbeiten
der Fasern Multi-Process-Elemente an,
die nach dem Mischkammerprinzip arbeiten
(Bild 8). Basis dieser Mischkammern
sind Förder- bzw. Rückförderelemente,
deren Außendurchmesser
soweit reduziert ist,
dass sie parallel nebeneinander
eingesetzt werden können.Zusätzlich
sorgen Durchbrüche
in den Schneckenstegen für eine
intensivere Durchmischung
der Schmelze. Die Multi-Process-Elemente
unterbinden eine
zu starke Scherenergieeinleitung,
was wiederum die Naturfasern
schont.
Verfahrenstechnik 2:
Direktspritzgießen
Die Kombination der Aufbereitung
mit der Formgebung
in einem Maschinenkonzept
(IMC, Bild 9) reduziert nicht
nur die thermische Beanspruchung
des zu verarbeitenden
Materials. Sie erhöht zudem
die Energieeffizienz des Gesamtprozesses
(siehe Kasten
auf Seite 42).
Demnach spart der einstufige Prozess
mit dem Spritzgießcompounder im Vergleich
zum Zweistufenprozess rund 40 %
Energie ein. Dazu wird das energieintensive
Plastifizieren mit einer Spritzgieß-
Schubschnecke durch einen energieeffizienten,
kontinuierlich gleichlaufenden
Zweischneckenextruder ersetzt.
Fazit
Weniger ist oft mehr, denn mit lediglich
zwei Verfahrenstechniken deckt Krauss-
Maffei bei diesem Konzept die komplette
Wertschöpfungskette ab – von der Verarbeitung
der Rohstoffe zu Compounds
V
Bild 9. Die Kombination der Aufbereitung mit der Formgebung in einem Maschinenkonzept reduziert die thermische Beanspruchung der Naturfasern
und erhöht die Energieeffizienz des Gesamtprozesses. Sowohl Direktspritzgießen (IMC, links) als auch Direktextrusion (Typ: ZE 60 R UTX, rechts) reduzieren
den Energieverbrauch gegenüber einem zweistufigen Prozess um 40 %
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SPRITZGIESSEN
oder Blends über das Halbzeug bis zum
Endprodukt Formteil. Somit hat der Verzicht
auf die Zwischenstufe Granulat sowohl
bei der Extrusion als auch beim
Spritzgießen wirtschaftliche wie technische
Vorteile. Neben dem um 40 % geringeren
Energieverbrauch sind die schonende
Verarbeitung der empfindlichen
Naturfasern wie auch die verminderten
Geruchsemissionen während der Fertigung
und später im Bauteil zu nennen.
Verarbeitern wie Anwendern eröffnen
sich damit neue Perspektiven bei der
Suche nach umweltschonenden Produkten.
■
LITERATUR
1 Endres, H.-J.; Hausmann, K.; Helmke, P.: Untersuchung
des Einflusses unterschiedlicher Haftvermittler
und Haftvermittlergehalte auf PP-Holzmehl-Compounds.
KGK Kautschuk Gummi Kunststoffe
(2006) 7/8, S. 399–404
2 Frangi, A.: Brandverhalten von Holz-Beton-Verbunddecken.
Forschungsbericht Eidgenössische
Technische Hochschule Zürich, 2001
3 GriguIl, U.: Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf
in SI-Einheiten. Springer Verlag Berlin,
Heidelberg, New York 1989
DIE AUTOREN
DR.-ING. ERWIN BÜRKLE, geb. 1942, ist Leiter
Vorentwicklung, Neue Technologien und Prozesstechnik
Spritzgießen bei der KraussMaffei Technologies
GmbH, München.
DIPL.-ING LARS DARNEDDE, geb. 1979, ist Verfahrensingenieur
für Nachwachsende Rohstoffe in
der Entwicklungsabteilung Kunststofftechnik der
KraussMaffei Berstorff GmbH, Hannover.
DIPL.-ING. GERHARD SCHEEL, geb. 1965, ist verantwortlich
für verfahrenstechnische Entwicklungen
in der Entwicklungsabteilung Kunststofftechnik der
KraussMaffei Berstorff GmbH, Hannover.
SUMMARY KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL
Energy-Efficient
Processing of
Natural Fiber-Reinforced
Plastics
PROCESS TECHNOLOGY. Processing of natural
fiber-reinforced plastics in a single energy-optimized
production process has significant benefits:
the sensitive natural fibers are treated gently,
emission of odors during processing and from
the finished parts is reduced – and, since the intermediate
step of pelletizing can be dispensed
with when injection molding, energy savings of
over 40 % compared to a two-step production process
are possible.
NOTE: You can read the complete article in our
magazine Kunststoffe international and on our
website by entering the document number PE110031
at www.kunststoffe-international.com
44 © Carl Hanser Verlag, München Kunststoffe 2/2009