Untitled - Verlag Mainz
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Technisch-wissenschaftlicher Bericht<br />
des<br />
Instituts für Kunststoffverarbeitung<br />
an der<br />
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen<br />
Dr.-Ing. Kira Westermann<br />
EXTRUSION VON PHYSIKALISCH GESCHÄUMTEN<br />
KAUTSCHUKPROFILEN<br />
EXTRUSION OF PHYSICALLY BLOWN CELLULAR RUBBER PROFILES<br />
Herausgeber<br />
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli<br />
Dieser Bericht ist gleichzeitig als Dissertation an der RWTH Aachen erschienen
IKV - Berichte aus der Kunststoffverarbeitung<br />
Herausgeber:<br />
Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV), RWTH Aachen<br />
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli<br />
Kira Westermann<br />
Extrusion von physikalisch geschäumten Kautschukprofilen<br />
ISBN: 3-86130-865-7<br />
1. Auflage 2009<br />
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek<br />
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen<br />
Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im<br />
Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.<br />
Das Werk einschließlich seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung ist ohne die Zustimmung<br />
des Herausgebers außerhalb der engen Grenzen des Urhebergesetzes unzulässig und strafbar. Das gilt<br />
insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung<br />
in elektronischen Systemen.<br />
Vertrieb:<br />
Herstellung:<br />
1. Auflage 2009<br />
© <strong>Verlag</strong>sgruppe <strong>Mainz</strong> GmbH Aachen<br />
Süsterfeldstr. 83, 52072 Aachen<br />
Tel. 0241/87 34 34<br />
Fax 0241/875577<br />
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Druck und <strong>Verlag</strong>shaus <strong>Mainz</strong> GmbH Aachen<br />
Süsterfeldstraße 83<br />
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Satz: nach Druckvorlage des Autors<br />
Umschlaggestaltung: Druckerei <strong>Mainz</strong><br />
printed in Germany<br />
D 82 (Diss. RWTH Aachen University, 2009)
VORWORT<br />
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin<br />
am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen in den Jahren 2004 bis<br />
2009.<br />
Für die fachliche und persönliche Betreuung meiner Arbeit in dieser Zeit danke ich Herrn<br />
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E.h. W. Michaeli sowie Herrn Prof. Dr.-Ing. E. Haberstroh. Prof.<br />
Michaeli danke ich weiterhin für die großen Freiräume bei meiner täglichen Forschungsarbeit<br />
und die Übernahme des Referats. Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Masberg gilt mein Dank für die<br />
Übernahme des Koreferats, Herrn Prof. Dr.-Ing. J. Feldhusen für den Prüfungsvorsitz sowie<br />
Herrn Prof. Dr.-Ing. U. Reisgen für den Prüfungsbeisitz.<br />
Herzlich danken möchte ich darüber hinaus den Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des IKV,<br />
insbesondere denjenigen aus der Abteilung Extrusion und der IKV-„Rubber Family“. Die<br />
große Hilfsbereitschaft, die fachlichen Diskussionen und das hervorragende Arbeitsklima<br />
haben entscheidend dazu beigetragen, dass ich während meiner gesamten Zeit am Institut<br />
ausreichend Motivation und Durchhaltevermögen zum Fertigstellen dieser Arbeit behielt. Für<br />
die kritische Durchsicht meines Manuskriptes danke ich meinem Mann Thomas, den<br />
Gummiexperten Hannah Köppen und Kai Opdenwinkel sowie meinem langjährigen IKV-<br />
Weggefährten Bernhard Helbich. Sie alle haben durch ihre konstruktive Kritik zum<br />
erfolgreichen Abschluss meiner Arbeit beigetragen. Mindestens ebenso großen Dank haben<br />
die studentischen Mitarbeiter meiner Arbeitsgruppe Daniel Pleß, Marc Marbach, Christoph<br />
Pielen, Dominik Schmidt, Felixine Siegmund, Britta Gerets, Thilo Glaser, Mark Schneider,<br />
Alexander Inderfurth, Felix Seipelt, Jonathan Martens und Wolfgang Kayser verdient, die<br />
durch ihre tatkräftige Unterstützung das Entstehen dieser Arbeit erst ermöglicht haben.<br />
Ein wesentlicher Teil der vorliegenden Untersuchungen wurde im Rahmen des<br />
Forschungsvorhabens 14932 N der Forschungsvereinigung Kunststoffverarbeitung im<br />
Programm zur Förderung der „Industriellen Gemeinschaftsforschung“ (IGF) vom<br />
Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie über die AiF finanziert. Für die<br />
Bereitstellung von Versuchsmaterial und die stete Diskussionsbereitschaft möchte ich mich<br />
bei der LANXESS Deutschland GmbH, Leverkusen, der Evonik Degussa GmbH, Köln, und<br />
der Brabender GmbH, Duisburg, bedanken.<br />
Ein besonderer Dank gilt an dieser Stelle meiner Familie, die mich auf meinem bisherigen<br />
Lebensweg uneingeschränkt unterstützt und damit zum Gelingen dieses Buches beigetragen<br />
hat.<br />
Aachen, im März 2009
INHALTSVERZEICHNIS i<br />
1 EINLEITUNG ....................................................................................................................... 1<br />
2 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE........................................................... 4<br />
2.1 Zusammensetzung und Herstellung von Kautschukmischungen...................................................4<br />
2.2 Grundlagen der Kautschukextrusion ...............................................................................................8<br />
2.2.1 Kautschukextruder ...........................................................................................................................9<br />
2.2.2 Zahnradpumpen in der Kautschukextrusion ..................................................................................10<br />
2.2.3 Kontinuierliche Vulkanisation .......................................................................................................13<br />
2.2.4 Peripherie .......................................................................................................................................14<br />
2.3 Treibmittel in der Kautschukextrusion ..........................................................................................15<br />
2.3.1 Chemische Treibmittel ...................................................................................................................15<br />
2.3.2 Physikalische Treibmittel...............................................................................................................16<br />
2.4 Stofftransport in Polymeren ............................................................................................................20<br />
2.4.1 Sorption..........................................................................................................................................21<br />
2.4.2 Diffusion ........................................................................................................................................22<br />
2.5 Grundlagen der Schaumbildung .....................................................................................................22<br />
2.5.1 Keimbildung...................................................................................................................................23<br />
2.5.2 Blasenwachstum.............................................................................................................................25<br />
2.6 Fazit....................................................................................................................................................27<br />
3 MATERIALIEN UND METHODEN ...................................................................................... 28<br />
3.1 Mischungsauswahl und -herstellung ...............................................................................................28<br />
3.1.1 Auswahl einer EPDM-Grundrezeptur............................................................................................28<br />
3.1.2 Mischungsherstellung ....................................................................................................................30<br />
3.2 Charakterisierung der Mischungseigenschaften............................................................................31<br />
3.2.1 Rheologische Eigenschaften ..........................................................................................................31<br />
3.2.2 Vernetzungskinetik ........................................................................................................................33<br />
3.2.3 Bestimmung der Sorptionseigenschaften .......................................................................................35<br />
3.3 Anlagentechnik..................................................................................................................................40<br />
3.3.1 Extruder..........................................................................................................................................41<br />
3.3.2 Zahnradpumpeneinheit mit statischem Mischteil...........................................................................43<br />
3.4 Charakterisierung der Profilqualität..............................................................................................46<br />
3.4.1 Dichte.............................................................................................................................................47<br />
3.4.2 Schaumstruktur ..............................................................................................................................48<br />
3.4.3 Oberflächenqualität........................................................................................................................49<br />
3.4.4 Mechanische Eigenschaften ...........................................................................................................50<br />
4 UNTERSUCHUNGEN ZUR VERFAHRENSTECHNIK............................................................. 54<br />
4.1 Einfluss des Drucks auf die Profilqualität ......................................................................................55<br />
4.1.1 Auswirkung der Zahnradpumpen auf die Prozessstabilität............................................................55<br />
4.1.2 Druck im Mischteil ........................................................................................................................56<br />
4.1.3 Werkzeugdruck ..............................................................................................................................60<br />
4.2 Einfluss der Temperaturen auf die Profilqualität..........................................................................62<br />
4.2.1 Einfluss der Werkzeugtemperatur auf die Oberflächenqualität .....................................................63<br />
4.2.2 Einfluss der Prozesstemperaturen auf Druckverhältnisse und Zellstruktur ...................................65
ii INHALTSVERZEICHNIS<br />
4.3 Einfluss von Treibmittelmenge, Mischerlänge und Massedurchsatz auf die Profilqualität ......68<br />
4.3.1 Treibmittelmenge ...........................................................................................................................69<br />
4.3.2 Statische Mischtechnik...................................................................................................................75<br />
4.3.3 Durchsatz .......................................................................................................................................81<br />
4.4 Fazit der verfahrenstechnischen Untersuchungen.........................................................................83<br />
5 UNTERSUCHUNGEN VON MATERIALVARIATIONEN......................................................... 87<br />
5.1 Viskosität des Basispolymers ...........................................................................................................87<br />
5.2 Variation von Füllstoffen und Additiven........................................................................................93<br />
5.2.1 Aktiver Füllstoff.............................................................................................................................93<br />
5.2.2 Passive Nukleierungsmittel............................................................................................................98<br />
5.2.3 Verarbeitungshilfsmittel Vestenamer...........................................................................................103<br />
5.2.4 Feuchteabsorber Calciumoxid......................................................................................................107<br />
5.3 Variation des Treibmittels .............................................................................................................109<br />
5.3.1 Kohlendioxid................................................................................................................................109<br />
5.3.2 Wasser..........................................................................................................................................113<br />
5.4 Fazit der materialtechnischen Untersuchungen...........................................................................122<br />
6 FAZIT UND AUSBLICK .................................................................................................... 125<br />
7 ZUSAMMENFASSUNG UND SUMMARY ............................................................................ 127<br />
7.1 Zusammenfassung ..........................................................................................................................127<br />
7.2 Summary..........................................................................................................................................128<br />
8 ABKÜRZUNGEN UND FORMELZEICHEN ......................................................................... 129<br />
8.1 Abkürzungen...................................................................................................................................129<br />
8.2 Formelzeichen .................................................................................................................................130<br />
9 LITERATURVERZEICHNIS............................................................................................... 133<br />
10 ANHANG ..................................................................................................................... 143<br />
10.1 Eingesetzte Materialien ..................................................................................................................143<br />
10.2 Mischprozess zur Herstellung der EPDM-Grundmischung .......................................................145<br />
10.3 Charakterisierung der Kautschukmischungen ............................................................................145<br />
10.3.1 Bestimmung der Mooney-Viskosität.......................................................................................145<br />
10.3.2 Vernetzungskinetik mit Rotationsschubvulkameter................................................................146<br />
10.4 EPDM-Grundrezeptur zur Einarbeitung wassertragender Substanzen ...................................149
EINLEITUNG 1<br />
1 EINLEITUNG<br />
Der Einsatz geschäumter Kautschukprofile und -bauteile bietet im Vergleich zu kompakten<br />
Materialien zahlreiche Vorteile. Das Einbringen einer definierten Schaumstruktur führt<br />
unmittelbar zu einer Einsparung von Material, Gewicht und damit auch von Kosten. Allein<br />
aus diesem Grund ist die Verwendung geschäumter Gummiteile attraktiv [KW97, Jun95]. Der<br />
für zahlreiche Anwendungen noch weitaus bedeutendere Vorteil geschäumter Elastomere ist<br />
die erhöhte Funktionalität zelliger Bauteile: Durch das Einbringen einer definierten<br />
Zellstruktur können sowohl mechanische als auch andere physikalische Eigenschaften gezielt<br />
eingestellt und an das Anforderungsprofil des Bauteils angepasst werden. Geschäumte<br />
Kautschukprofile werden seit Jahrzehnten als isolierendes oder dichtendes Element in<br />
verschiedensten Bereichen eingesetzt [DC92, Sch04]. Ein typisches Einsatzgebiet ist die<br />
Dichtungstechnik im Automobilbau, wobei insbesondere so genannte Moosgummiprofile auf<br />
Basis von EPDM-Kautschuk eine bedeutende Rolle spielen [VCO+04]. Derartige<br />
Karosseriedichtsysteme müssen ein ausgewogenes Eigenschaftsprofil aufweisen und hohe<br />
Anforderungen in Bezug auf Oberflächenbeschaffenheit, Rückstellfähigkeit und<br />
Verformungsverhalten erfüllen, um den Anforderungen der Endkunden gerecht zu werden.<br />
Da die Zulieferfirmen seit Jahren einem wachsenden Kostendruck und steigenden<br />
Produktanforderungen gerecht werden müssen, ist eine ständige Optimierung der<br />
Mischungsrezepturen und der Produktionsprozesse erforderlich [VCO+04].<br />
Trotz des steigenden Marktanteils thermoplastischer Elastomere (TPE) ist auch in Zukunft<br />
nicht mit einer vollständigen Substitution geschäumter Kautschukbauteile durch TPE-<br />
Schäume zu rechnen [Hil95]. Zwar zeichnen sich TPE durch sehr gute Eigenschaften in<br />
Bezug auf Maßhaltigkeit, Verschweißbarkeit, Einfärbbarkeit, geringere Dichte und<br />
Recyclierbarkeit aus. Demgegenüber stehen verglichen mit klassischen Elastomeren<br />
Einschränkungen bei den mechanischen Eigenschaften, dem Druckverformungsrest, den<br />
Einsatztemperaturen und den Materialkosten. Für die Kautschuk verarbeitende Industrie<br />
bietet zudem die Herstellung von Kautschukmischungen im eigenen Produktionsbetrieb eine<br />
Möglichkeit, umfassendes Know-how bei der Rezepturentwicklung und damit<br />
Wettbewerbsvorteile aufzubauen.<br />
Zellige Vulkanisate werden gemäß ihrer Zellstruktur in Schwamm-, Zell- und Moosgummi<br />
unterteilt [NN66]. Offenzellige Materialien mit einer Dichte zwischen 200 und 700 kg/m³<br />
werden als Schwammgummi (engl. „sponge rubber“) bezeichnet. Unter Zellgummi (engl.<br />
„cellular/ expanded rubber“) werden Produkte mit einer überwiegend geschlossenen<br />
Zellstruktur und Dichten zwischen 50 und 300 kg/m³ verstanden. Moosgummiprodukte (engl.<br />
„moss/ cellular rubber“) weisen in der Regel Dichten zwischen 300 und 750 kg/m³ auf und<br />
verfügen über eine gemischtzellige Schaumstruktur. Überwiegend offenporige Materialien<br />
neigen im Einsatz zur Aufnahme von Wasser, was insbesondere bei der Anwendung als
2 EINLEITUNG<br />
Dichtung im Automobilbereich zu unerwünschten Effekten wie dem Anfrieren der Dichtung<br />
bei tiefen Temperaturen führen kann. Andererseits ermöglichen derartige Materialien einen<br />
schnellen Gasaustausch zwischen den Zellen, so dass nach einer Kompression die Zeiten bis<br />
zur Rückverformung des Schaums deutlich kürzer sind als bei komplett geschlossenzelligen<br />
Materialien [Jun95]. Für den Einsatz im Bereich der Schallisolation ist eine offenporige<br />
Struktur ebenfalls günstig.<br />
Die Erzeugung einer Schaumstruktur kann grundsätzlich durch chemische oder physikalische<br />
Treibmittel erfolgen. In der Kautschukverarbeitung werden heute nahezu ausschließlich<br />
chemische Treibmittel eingesetzt, die dem Material bereits bei der Mischungsherstellung<br />
beigefügt werden. Diese Substanzen zerfallen bei einer chemischen Zersetzungsreaktion in<br />
teilweise gasförmige Substanzen und führen zum Aufschäumen. Demgegenüber basiert die<br />
Gasbildung bei physikalischen Treibmitteln auf einer Änderung der Lösungseigenschaften<br />
des Treibmittels. Im Vergleich zu ihren chemischen Pendants sind physikalische Treibmittel<br />
kostengünstig sowie toxikologisch und ökologisch unbedenklich. Sie bieten darüber hinaus<br />
verfahrenstechnische Vorteile, da das Treibmittel erst während des Verarbeitungsprozesses in<br />
das Compound eingearbeitet wird. So kann zu einem deutlich späteren Zeitpunkt als beim<br />
Einsatz chemischer Treibmittel direkt Einfluss auf die entstehende Produktqualität genommen<br />
werden, indem z.B. die injizierte Treibmittelmenge angepasst wird. Dies kann zum einen<br />
genutzt werden, um Schwankungen zwischen einzelnen Mischungschargen auszugleichen.<br />
Gerade in Zeiten steigender Rohstoffpreise sind Fehlproduktionen und der damit<br />
einhergehende Materialverlust mit enormen Kosten verbunden. Zum anderen können auf<br />
Basis gleicher Kautschukmischungen durch eine Anpassung der Prozessparameter Schäume<br />
unterschiedlicher Dichte und Struktur erzielt werden. Der Einsatz physikalischer Treibmittel<br />
hat damit das Potenzial, eine wirtschaftlich und prozesstechnisch vorteilhafte Alternative zum<br />
chemischen Treiben von Kautschukmischungen darzustellen.<br />
In der vorliegenden Arbeit wird daher ein neuartiges Konzept zur Nutzung physikalischer<br />
Treibmittel in der Kautschukextrusion umgesetzt und der Einfluss wesentlicher<br />
Prozessparameter auf die Eigenschaften der Endprodukte untersucht. Es werden zunächst die<br />
Grundlagen der Kautschukextrusion erläutert, wobei der Schwerpunkt auf der Herstellung<br />
geschäumter Kautschukprofile liegt (Kapitel 2).<br />
Aufbauend auf den hieraus abgeleiteten Anforderungen wird in Kapitel 3 eine EPDM-<br />
Grundmischung ausgewählt und charakterisiert, die mit Stickstoff als physikalischem<br />
Treibmittel zu geschäumten Profilen verarbeitet wird. Die Verarbeitung der EPDM-Mischung<br />
erfolgt in einer Labor-Extrusionsanlage, die um zwei Zahnradpumpen und ein statisches<br />
Mischteil erweitert wurde. Das Anlagenkonzept wird im zweiten Teil des Kapitels vorgestellt.<br />
Durch eine Druck-Drehzahl-Regelung der beiden Zahnradpumpen können im<br />
kontinuierlichen Extrusionsprozess konstante Drücke erreicht werden. Die eingesetzte
EINLEITUNG 3<br />
Mischtechnik dient einer zusätzlichen Homogenisierung des Treibmittel-Kautschuk-<br />
Gemischs.<br />
Die Einflüsse der Zahnradpumpen auf die Prozessstabilität werden im Rahmen der<br />
verfahrenstechnischen Untersuchungen in Kapitel 4 dargestellt. In diesem Teil der Arbeit<br />
werden die wesentlichen Prozessparameter gezielt variiert und deren Einflüsse auf die<br />
Qualitätsparameter Zellstruktur, Oberflächenqualität, Dichte und mechanische Eigenschaften<br />
erarbeitet.<br />
Eine gezielte Variation der Mischungsrezeptur kann zur Beeinflussung der Zellstruktur<br />
genutzt werden. Die Zusammenhänge zwischen der Mischungsviskosität, den eingesetzten<br />
Nukleierungsmitteln sowie weiteren ausgewählten Kleinchemikalien und der entstehenden<br />
Schaumstruktur stellen den Kern der materialtechnischen Untersuchungen in Kapitel 5 dar.<br />
Zudem wird die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die physikalischen Treibmittel<br />
Kohlendioxid und Wasser untersucht. Beim Einsatz von Wasser wird neben der<br />
Direktinjektion im Extrusionsprozess auch die Einarbeitung mit Hilfe wasserbeladener<br />
Substanzen betrachtet.<br />
Ein abschließendes Fazit erlaubt aufbauend auf den dargestellten Ergebnissen eine<br />
umfassende Bewertung der Einsatzmöglichkeiten physikalischer Treibmittel in der<br />
Kautschukextrusion.
4 EINLEITUNG
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 5<br />
2 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
Bei der Extrusion geschäumter Kautschukprofile beeinflussen sowohl materialseitige als auch<br />
prozesstechnische Aspekte die Produktqualität. Im Folgenden werden daher sowohl die<br />
Auswahl und Herstellung typischer Kautschukmischungen als auch die Grundlagen der<br />
Kautschukextrusion erläutert. Aufgrund ihrer Bedeutung für die vorliegende Arbeit werden<br />
Zahnradpumpen und ihre Einsatzmöglichkeiten in der Kautschukextrusion vorgestellt. Zudem<br />
finden die Besonderheiten bei der Produktion zelliger Gummiprofile Berücksichtigung. Die<br />
Schaumstruktur kann sowohl durch chemische als auch durch physikalische Treibmittel<br />
erzeugt werden. Die Unterschiede und die Besonderheiten beider Treibmittelarten werden<br />
diskutiert. Beim Einsatz physikalischer Treibmittel bildet der Stofftransport des Treibmittels<br />
in der Kautschukmischung die Basis für den eigentlichen Schäumvorgang. Am Ende dieses<br />
Kapitels werden sowohl die Grundlagen der Sorption und Diffusion als auch die<br />
grundsätzlichen Zusammenhänge bei Bildung und Wachstum der entstehenden Zellen kurz<br />
erläutert.<br />
2.1 Zusammensetzung und Herstellung von Kautschukmischungen<br />
Kautschuke sind vernetzbare, meist amorphe Polymere, deren Glasübergangstemperatur<br />
unterhalb von 0 °C liegt [RS06]. Im Jahr 1838 entdeckte Charles Goodyear, dass durch eine<br />
chemische Vernetzung dieser Polymere ein Material mit außergewöhnlich hoher Elastizität<br />
entsteht [BW99]. Dieser weitmaschig vernetzte Werkstoff wird heute als Elastomer oder<br />
Gummi bezeichnet. Aufgrund des irreversiblen Vernetzungsprozesses weisen Elastomere im<br />
Gegensatz zu anderen Kunststoffen bei hohen Temperaturen keinen Fließbereich auf, sondern<br />
werden beim Erreichen ihrer Zersetzungstemperatur zerstört. Aufgrund ihres weitmaschigen<br />
Netzwerkes lassen sich elastomere Werkstoffe in ihrem Gebrauchstemperaturbereich<br />
reversibel verformen, d.h. auch nach starken elastischen Verformungen kehrt der Werkstoff<br />
nach der Entlastung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurück [MHM+02]. Die<br />
erreichbaren Dehnungen liegen mit 100-1000 % deutlich über den Bruchdehnungen anderer<br />
Werkstoffe.<br />
Für technische Anwendungen in der industriellen Praxis kommen keine reinen<br />
Kautschukpolymere zum Einsatz. Vielmehr werden komplexe Mischungssysteme zum<br />
Erreichen der gewünschten Eigenschaften benötigt. In der Kautschukverarbeitung werden die<br />
Mengenangaben in Mischungsrezepturen nicht in Gewichtsprozent angegeben, die sich auf<br />
die Gesamtmenge aller Bestandteile beziehen. Stattdessen werden die Gewichtsanteile der<br />
Rezepturbestandteile in „parts per hundred parts of rubber“ (phr) aufgeführt, d.h. alle<br />
Mengenangaben beziehen sich auf das Basispolymer. In jeder Mischungsrezeptur sind<br />
100 phr Kautschukpolymer enthalten. Bestandteile und Mengenverhältnisse in einer typischen<br />
Kautschukmischung finden sich in Tabelle 2.1 [RS06].
6 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
Rezepturbestandteile Gewichtsanteil [phr]<br />
Kautschuk 100<br />
Füllstoffe 0 - 100<br />
Weichmacher 0 - 100<br />
Verarbeitungshilfsmittel 0 - 5<br />
Alterungs- und Ozonschutz 1 - 8<br />
Vernetzungsaktivatoren 4 - 6<br />
Vernetzungsbeschleuniger und -verzögerer 0,5 - 8<br />
Vernetzungsmittel 0,5 - 5<br />
Tabelle 2.1: Typische Hauptbestandteile einer Kautschukmischung (phr: parts per hundred<br />
parts of rubber)[nach [RS06]]<br />
Table 2.1: Typical ingredients of rubber compounds (phr: parts per hundred parts of<br />
rubber) [according to [RS06]]<br />
Mischungsbestandteile<br />
Bei der Herstellung geschäumter Kautschukprofile können als Basispolymer nahezu alle<br />
vernetzbaren Kautschuke eingesetzt werden, wobei Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk<br />
(EPDM) und Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (NBR) die wirtschaftlich größte Bedeutung<br />
haben [NN91].<br />
EPDM ist ein Terpolymer aus Ethylen, größeren Anteilen Propylen und einem dritten<br />
Monomer, meist 5-Ethyliden-2-norbornen (ENB). Die chemische Struktur ist in Bild 2.1<br />
dargestellt [Sie07]. Die Eigenschaften der unterschiedlichen EPDM-Typen werden durch den<br />
Gehalt an Ethylen und ENB bestimmt. Eine Variation des ENB-Gehalts beeinflusst vor allem<br />
die Vulkanisationsreaktion, da ENB die Doppelbindungen für eine Schwefel-Vernetzung zur<br />
Verfügung stellt. Der Ethylengehalt hingegen beeinflusst die Kristallinität und damit auch die<br />
Reißfestigkeit des Polymers, wobei ein steigender Ethylengehalt die Kristallinität des EPDM<br />
erhöht.<br />
EPDM-Kautschuk besitzt die folgenden typischen Eigenschaften [VCO+04]:<br />
� Hervorragende Witterungsbeständigkeit,<br />
� gutes Verarbeitungsverhalten und<br />
� geringe Kosten.<br />
Aufgrund dieser Eigenschaften ist EPDM außerhalb der Reifentechnologie das am weitesten<br />
verbreitete synthetische Kautschukpolymere für den Einsatz in technischen<br />
Elastomerbauteilen. Über die Hälfte des Gesamtbedarfs an EPDM wird in der<br />
Automobilbranche verarbeitet. Typische Anwendungen sind Dichtungssysteme, Schläuche,<br />
Kabel, Leitungen sowie Scheibenwischer [VCO+04, RS06]. Etwa 20 % des EPDM werden
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 7<br />
im Bereich der Karosseriedichtungssysteme für den Automobilbau zu geschäumten<br />
Moosgummiprofilen verarbeitet, welche vor allem in Bereichen mit dynamischer Belastung<br />
zum Einsatz kommen.<br />
x y<br />
z<br />
n<br />
x: Anzahl der Ethylengruppen<br />
y: Anzahl der Propylengruppen<br />
z: Anzahl des Termonomers<br />
5-Ethyliden-2-norbonen<br />
Bild 2.1: Chemische Struktur von Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM) [Sie07]<br />
Fig. 2.1: Chemical structure of ethylene-propylene-diene-rubber (EPDM) [Sie07]<br />
Um die Eigenschaften von Gummibauteilen oder die Materialkosten zu beeinflussen, werden<br />
Kautschukmischungen größere Mengen Füllstoffe zugegeben. Grundsätzlich wird zwischen<br />
aktiven und inaktiven Füllstoffen unterschieden. Inaktive Füllstoffe bilden keine<br />
Wechselwirkungen mit dem Polymer aus. Sie werden vorrangig eingesetzt, um die Mischung<br />
zu strecken und auf diese Weise Kosten zu sparen oder um Dichte, Härte oder Permeabilität<br />
einzustellen. Aktive Füllstoffe verändern hingegen durch Wechselwirkungen mit der Matrix<br />
die viskoelastischen Eigenschaften der Mischung und verbessern die mechanischen<br />
Eigenschaften der Vulkanisate [RS06]. Die bedeutendsten aktiven Füllstoffe sind heute<br />
Kieselsäure und Ruß. Die Herstellungsverfahren und die Eigenschaften verschiedener<br />
Rußtypen sind in [RS06] ausführlich dargestellt. 95 % der eingesetzten Ruße werden durch<br />
thermisch-oxidative Spaltung von Öl im Furnace-Verfahren hergestellt. Die sphärischen<br />
Primärteilchen (10-300 nm) bilden stabile, kettenförmige Aggregate (100-800 nm). Aufgrund<br />
ihrer hohen Stabilität bilden diese Aggregate die kleinste dispergierbare Ruß-Einheit, die in<br />
einer Kautschukmischung vorliegt. Aus den Aggregaten können über van der Waals<br />
Wechselwirkungen Agglomerate entstehen, welche jedoch im Verarbeitungsprozess durch<br />
Scherenergie aufgebrochen werden können. Die in der Kautschukverarbeitung eingesetzten<br />
Ruße unterscheiden sich vor allem in der Partikelgröße der Primärpartikel und in ihrer<br />
Struktur, also dem Verzweigungsgrad der Aggregate. Als Maß für die Rußstruktur wird die<br />
Messung der Öladsorption genutzt. Dieser Test kann entweder an einer ungepressten (OAN-<br />
Wert) [NN08a] oder an einer komprimierten Probe (COAN-Wert) [NN07c] bestimmt werden.<br />
Bei der Messung an einer komprimierten Probe werden die Agglomerate vor der Messung<br />
zerstört, so dass lediglich der Verzweigungsgrad der Aggregate bestimmt wird [FNS07]. Die<br />
verschiedenen Ruße werden gemäß ASTM D 1765 klassifiziert [NN06a]. Die Benennung
8 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
besteht aus einem Buchstaben, der den Einfluss des Rußes auf die Vernetzungskinetik<br />
beschreibt (N – normal vernetzend, S – langsam vernetzend), und nachfolgend drei Ziffern.<br />
Die erste dieser Ziffern korreliert mit der Partikelgröße der Primärteilchen. Die letzten beiden<br />
Ziffern sind frei verfügbar, sollen jedoch die Struktur kennzeichnen [Sch04]. Für Extrudate<br />
werden bevorzugt Ruße im Bereich niedriger spezifischer Oberflächen eingesetzt (z.B.<br />
N 550), da diese die Spritzquellung verringern und die Oberflächenqualität verbessern<br />
[Sch04].<br />
Neben Basispolymer und Füllstoffen enthalten Kautschukmischungen größere Mengen<br />
Weichmacher sowie zahlreiche Kleinchemikalien wie Verarbeitungshilfsmittel,<br />
Lichtschutzwachse oder Treibmittel. Hinzu kommt das Vernetzungssystem, das aus dem<br />
Vernetzungsmittel sowie Beschleunigern, Aktivatoren und Inhibitoren zur Einstellung der<br />
Vernetzungskinetik besteht. Am häufigsten werden Schwefel oder Peroxide als<br />
Vernetzungsmittel eingesetzt. Die Vernetzung mit Schwefel ist auf ungesättigte<br />
Kautschukpolymere beschränkt, da für diese Reaktion Doppelbindungen erforderlich sind.<br />
Für die Vernetzung gesättigter Polymere werden die Peroxide als Vernetzungsmittel genutzt.<br />
Da Sauerstoff bei der peroxidischen Vernetzung als Inhibitor wirkt, muss die Vulkanisation<br />
unter Ausschluss von Luftsauerstoff stattfinden [Sch04, RS06].<br />
Mischungsherstellung<br />
Für die Herstellung von Kautschukmischungen aus den einzelnen Bestandteilen können<br />
Walzwerke, Kautschukinnenmischer und kontinuierlich arbeitende Doppelschneckenextruder<br />
genutzt werden [RS06, Dic01, HG01]. In der industriellen Praxis spielen kontinuierliche<br />
Aufbereitungsverfahren jedoch nur eine untergeordnete Rolle, weshalb an dieser Stelle<br />
auschließlich die diskontinuierliche Aufbereitung erläutert wird. Walzwerke bestehen aus<br />
zwei flüssig gekühlten Walzen, die gegeneinander rotieren, so dass die Mischung durch den<br />
Spalt zwischen den beiden Walzen gefördert wird. Die hohe, im Walzenspalt auftretende<br />
Scherung erzeugt die erforderliche Mischwirkung. Bei dieser Mischtechnik sind die<br />
Chargenmengen sowie der mögliche Automatisierungsgrad begrenzt. Außerdem ist es ein<br />
zeitintensiver Prozess, bei dem hohe Staubbelastungen auftreten können. Daher wurde das<br />
Walzwerk in der industriellen Praxis nahezu vollständig durch Kautschukinnenmischer ersetzt<br />
und wird heute häufig nur noch als Nachfolgeaggregat zum Innenmischer eingesetzt.<br />
Innenmischer bestehen aus einer geschlossenen, gekühlten Knetkammer mit zwei darin<br />
gegenläufig rotierenden Knetschaufeln. Die Mischkammergröße kann mehrere hundert Liter<br />
betragen. Über einen Schacht oberhalb der Rotoren werden die Mischungsbestandteile<br />
zugegeben. Am Ende der Mischzeit wird die Sattelklappe am Boden der Kammer geöffnet,<br />
um die Mischung auszuwerfen. Um innerhalb kürzester Zeit eine gute Mischwirkung zu<br />
erzielen, werden bei diesem Verfahren große Mengen Scherenergie in die Mischung<br />
eingebracht, die zu einer Erwärmung des Materials führen. Eine zu starke<br />
Temperaturerhöhung und damit die Gefahr des Anvernetzens der Mischung kann durch einen
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 9<br />
mehrstufigen Mischprozess vermieden werden, d.h. die Mischung durchläuft mehrere Male<br />
den Innenmischer, wobei schrittweise weitere Mischungsbestandteile zugefügt werden.<br />
Zur Ausformung und Kühlung der Kautschukmischung wird die Mischung nach dem<br />
Auswerfen auf ein Walzwerk gegeben, welches über große Wärmeübertragungsflächen<br />
verfügt [Dic01]. Häufig wird das Vernetzungssystem erst auf dem Walzwerk hinzugefügt, da<br />
die Temperatur im Innenmischer zum Start der Vernetzungsreaktion führen würde. Nach dem<br />
Fertigmischen und Abkühlen der Mischung wird diese für die weitere Verarbeitung zu Fellen,<br />
Streifen oder Granulat ausgeformt.<br />
2.2 Grundlagen der Kautschukextrusion<br />
Die Extrusion wurde bereits in der Mitte des 19. Jahrhunderts zur Herstellung von Seekabeln<br />
aus dem Milchsaft der Guttapercha-Pflanze und später aus Naturkautschuk eingesetzt [RS06].<br />
Die wirtschaftliche Bedeutung der Kautschuk- und Kunststoffverarbeitung wird z.B. in Daten<br />
des Statistischen Bundesamts deutlich. Extrusionsanlagen besaßen im Jahr 2006 einen Anteil<br />
von 18 % an der Gesamtproduktion des Maschinenbaus in der deutschen Kunststoffbranche<br />
[Häf07] (Bild 2.2) und liegen damit gemeinsam mit den Spritzgießmaschinen an der Spitze<br />
dieser Statistik.<br />
Blasformmaschinen<br />
7 %<br />
Warmformmaschinen<br />
3 %<br />
Zubehör, Teile<br />
17 %<br />
Seviceleistungen<br />
4 %<br />
Pressen<br />
3 %<br />
Schäummaschinen<br />
6 % Spritzgießmaschinen<br />
18 %<br />
sonstige Maschinen<br />
20 %<br />
Extruder<br />
18 %<br />
Aufbereitung<br />
4 %<br />
Bild 2.2: Anteile einzelner Maschinenarten an der Produktion der Kunststoffbranche in<br />
Deutschland 2006 [Häf07]<br />
Fig. 2.2: Proportion of different types of production machines in Germany’s plastics<br />
industry 2006 [Häf07]<br />
In der Kautschukindustrie wird die Extrusion zur kontinuierlichen Verarbeitung von<br />
Kautschukmischungen zu Kautschuk-Halbzeugen (z.B. bei der Reifenproduktion) oder
10 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
chemisch vernetzten Elastomerprofilen (z.B. Dichtungsprofile im Automobilbau) genutzt. Bei<br />
der Herstellung von Fertigprodukten besteht eine Produktionslinie neben dem Extruder aus<br />
verschiedenen Aggregaten zur Vor- oder Nachbereitung der Materialien, Halbzeuge und<br />
Produkte. Ein typischer Linienaufbau ist in Bild 2.3 dargestellt [Kre05]. Köster et al. geben<br />
einen guten Überblick über die einzelnen Aggregate und deren Aufgaben sowie Vor- und<br />
Nachteile beim Einsatz in der industriellen Praxis [KPT07].<br />
Extrusion Vulkanisation Konfektionierung<br />
• Zuführen der Mischung<br />
• Kautschukextruder<br />
• Zahnradpumpe<br />
• Optionale<br />
• Online-<br />
• Vermessung<br />
Schockheizung Qualitätskontrolle<br />
• Zuschnitt<br />
Bild 2.3: Beispielhafter Aufbau einer Extrusionslinie zur Herstellung von<br />
Fig. 2.3:<br />
Kautschukprofilen [Kre05]<br />
Exemplary configuration of an extrusion line for the production of rubber<br />
profiles [Kre05]<br />
2.2.1 Kautschukextruder<br />
Ein Extruder ist eine Schneckenmaschine, die im Wesentlichen aus einer in einem<br />
temperierbaren Zylinder rotierenden Schnecke besteht und folgende Aufgaben zu erfüllen hat<br />
[RS06]:<br />
� Einziehen, Fördern und Verdichten des Grundmaterials,<br />
� Erwärmen und Plastifizieren,<br />
� Homogenisieren und Mischen sowie<br />
• Heißluftkanal<br />
• UHF-Strecke<br />
• Salzbad<br />
� Druckaufbau und Ausformung zu Profilen.<br />
• Veredelung<br />
• Kühlung<br />
• Abzug<br />
In der Kautschukextrusion wird zwischen warm und kalt gefütterten Extrudern unterschieden.<br />
Bei einer Warmfütterung wird die Mischung vor dem Einzug auf einem Walzwerk<br />
vorgewärmt. Auf diese Weise wird ein sehr gleichmäßiger, pulsationsfreier Einzug und damit<br />
ein äußerst konstanter Ausstoß bei kurzer Extruderlänge erreicht [KPT07]. Aufgrund des<br />
zusätzlichen Aufwands, der durch die Vorwärmung entsteht, haben Warmfütterextruder heute
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 11<br />
jedoch nur noch eine untergeordnete Bedeutung. Dem in der Kautschukindustrie<br />
standardmäßig eingesetzten Kaltfütterextruder wird die Mischung in der Regel in Form von<br />
nicht vorgewärmten Streifen zugeführt. Der Extruder übernimmt dabei die bereits genannten<br />
Aufgaben und formt im Extrusionswerkzeug das gewünschte Profil aus.<br />
Im Vergleich zu Extrusionsanlagen aus der Thermoplastverarbeitung weisen<br />
Kautschukextruder einige Besonderheiten auf: Die Verarbeitungstemperaturen liegen im<br />
Bereich von 80 - 120 °C. Sowohl Zylinder als auch Schnecke sind flüssig temperiert, um<br />
durch Scherenergie entstehende Wärme abzuführen und ein frühzeitiges Vernetzen der<br />
Kautschukmischung zu vermeiden. Um die problemlose Beschickung mit Streifen zu<br />
ermöglichen, weist darüber hinaus die Einzugszone einige Besonderheiten auf. Zum einen<br />
verfügt dieser Bereich über eine Speisewalze, welche das Einziehen der Streifen unterstützt.<br />
Zum anderen befinden sich auf der Schnecke meist Überschneidungen, d.h. die<br />
Schneckenstege weisen in diesem Bereich Aussparungen auf. Durch diese Unterbrechungen<br />
können die Streifen besser erfasst und aufgerissen werden. Bei Mischungen, die zum<br />
Wandgleiten neigen, kann zur Verbesserung des Materialeinzugs eine Wendeltasche in den<br />
Zylinder eingearbeitet werden [HG01]. Die typischen Baulängen von Kautschukextrudern<br />
betragen 12 - 16 D bei Schneckendurchmessern D zwischen 60 und 250 mm [KPT07].<br />
Eine bedeutende Sonderbauart im Bereich der Kautschukextrusion ist der Stiftextruder, der<br />
1972 von der Firma Uniroyal Englebert Reifen GmbH, Aachen, und dem Institut für<br />
Kunststoffverarbeitung, Aachen, entwickelt wurde [Har81, HMH72]. Bei diesem Konzept<br />
ragen nach Innen durch den Zylinder radial Stifte bis auf den Schneckengrund in den Zylinder<br />
hinein. Die Schneckenstege sind an diesen Stellen unterbrochen. Die Stifte führen zu einer<br />
Stromteilung und erfassen, dehnen und zerreißen hochviskoses Material, das sich im<br />
Schneckengrund sammelt. Stiftextruder finden aufgrund ihrer hervorragenden Mischwirkung<br />
breite Anwendung in der Kautschukindustrie.<br />
2.2.2 Zahnradpumpen in der Kautschukextrusion<br />
Der Einsatz von Zahnradschmelzepumpen ist in der kunststoffverarbeitenden Industrie bereits<br />
seit den 80er Jahren etabliert [Drö06, RS06], und auch in der Kautschukextrusion gewinnen<br />
diese zunehmend an Bedeutung. Das Funktionsprinzip einer solchen Pumpe ist in Bild 2.4<br />
dargestellt [LW03].<br />
In einer Zahnradpumpe fließt das Material auf der Saugseite in die Zahnzwischenräume und<br />
wird außen entlang der Gehäusewand nach dem Prinzip der Kammerförderung auf die<br />
Druckseite gefördert. Dabei wird die Kammer von zwei Zahnflanken und der Gehäusewand<br />
gebildet. Dort greifen die Zähne beider Zahnräder ineinander, so dass die Kammern nach dem<br />
Verdrängungsprinzip geleert werden [SE96].<br />
Zahnradpumpen werden unterschieden anhand
12 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
� der Zahnform (gerad-, schräg- und pfeilverzahnt),<br />
� der Art der Lagerung (Gleitlager oder Wälzlager) sowie<br />
� des gewählten Fütterkonzepts.<br />
Im einfachsten Fall wird die Mischung der Pumpe in Form von Streifen ohne zusätzliche<br />
Fütterhilfe zugeführt. Eine Vergleichmäßigung der Kammerfüllung wird mit Fütterwalzen<br />
oder einem Extruder als Füttereinheit erreicht. Alternativ kann das Förderverhalten durch<br />
einen Doppeleinlauf, also das gleichzeitige Zuführen von zwei Mischungsstreifen, verbessert<br />
werden.<br />
Kammerfüllung<br />
auf der<br />
Saugseite<br />
Kammerförderung<br />
Bild 2.4: Funktionsprinzip einer Zahnradschmelzepumpe<br />
Fig. 2.4: Functional principle of a gear pump<br />
Auskämmen der<br />
Kammern nach dem<br />
Verdrängungsprinzip<br />
Aufgrund der Kammerförderung ist der Durchsatz von Zahnradpumpen nahezu unabhängig<br />
vom herrschenden Gegendruck und proportional zur Drehzahl. Darüber hinaus wird kaum<br />
Scherung in das Material eingebracht, so dass das Material nur geringfügig erwärmt wird<br />
[LWH05]. In Bild 2.5 sind diese Zusammenhänge dargestellt [LW00]. Bei Verwendung eines<br />
konventionellen Extruders ohne Zahnradpumpe führt die Erhöhung des Gegendrucks bzw. der<br />
Druckströmung hingegen zu einer deutlichen Abnahme des Massestroms. Dies wiederum hat<br />
eine erhöhte Scherung des Materials und damit eine deutliche Temperaturerhöhung zur Folge.<br />
Als wesentliche Nachteile von Zahnradpumpen können ihre Empfindlichkeit gegenüber<br />
Verunreinigungen, eine begrenzte Selbstreinigung, zusätzliche Investitionskosten, fehlende<br />
Mischwirkung sowie infolge des Zahnprofils entstehende Druckpulsationen genannt werden<br />
[HG01, KPT07].
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 13<br />
Durchsatz [kg/h]<br />
Temperatur [°C]<br />
200<br />
150<br />
100<br />
50<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300 350<br />
Werkzeugdruck [bar]<br />
Durchsatz Zahnradpumpe<br />
Durchsatz Extruder<br />
Temperatur Zahnradpumpe<br />
Temperatur Extruder<br />
Bild 2.5: Einfluss des Gegendrucks auf das Prozessverhalten von Zahnradpumpe und<br />
Extruder [LW00]<br />
Fig. 2.5: Influence of die pressure on the process behaviour of the gear pump and the<br />
extruder [LW00]<br />
In der Thermoplastverarbeitung kommen Zahnradpumpen dort zum Einsatz, wo<br />
Schwankungen im Volumenstrom sich direkt auf die Produktqualität auswirken (z.B. in<br />
Glättwerken, bei Spinn- oder Schäumverfahren). Auch in der Kautschukindustrie bestehen<br />
vielseitige Einsatzmöglichkeiten, die in der Literatur ausführlich dokumentiert sind [LKR0,<br />
LW00, Nor07]. Gründe für den zunehmenden Einsatz in der Kautschukverarbeitung liegen in<br />
steigenden Anforderungen an die Produktionsprozesse [LWH05]: Zum einen werden<br />
schnellere Produktionsgeschwindigkeiten gefordert. Ein nahe liegender Weg zum Erreichen<br />
dieses Ziels ist die Verwendung schnell vernetzender Systeme, welche jedoch eine sehr<br />
genaue Einhaltung der zulässigen Verarbeitungstemperaturen erfordern. Zum anderen werden<br />
die Anforderungen an die Oberflächenqualität größer, so dass in vielen Anwendungen das so<br />
genannte Strainern, ein Entfernen von Agglomeraten und Fremdstoffen mit Hilfe von Sieben,<br />
unverzichtbar wird [Ebe08, Ski08]. Als dritter Grund sei an dieser Stelle noch eine<br />
zunehmende Verschärfung der Fertigungstoleranzen genannt, die auch aus der steigenden<br />
Komplexität aktueller Profilgeometrien resultiert [VCO+04]. Aufgrund ihres Förderprinzips<br />
können Zahnradschmelzepumpen bei geringer Schererwärmung einen großen Druckaufbau<br />
leisten. Zahnradpumpen gewinnen daher insbesondere als Austragsaggregat im<br />
Extrusionsprozess an Bedeutung, wobei die Überwindung des Werkzeugdruckverlusts und die<br />
Vergleichmäßigung des Volumenstroms das Ziel sind.
14 EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE<br />
Limper und Wilhelmsmeyer haben verschiedene Zahnradpumpenkonzepte ausführlich<br />
analysiert und vergleichende Untersuchungen durchgeführt [LW03, Wil06]. An dieser Stelle<br />
wird lediglich auf das für diese Arbeit relevante Konzept, die Kombination mit einem<br />
Extruder, eingegangen. Um einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen der<br />
Pumpendrehzahl und dem Durchsatz zu erreichen, muss eine vollständige Füllung der<br />
Zahnzwischenräume sichergestellt sein. Hierfür ist ein Mindestvordruck auf der Saugseite der<br />
Pumpe erforderlich, der üblicherweise zwischen 20 und 60 bar beträgt [LW00, SE96]. Bei der<br />
Verwendung einer Extruder-Zahnradpumpen-Kombination kann eine Druck-Drehzahl-<br />
Regelung einen konstanten Füllgrad sicherstellen und so Ausstoßschwankungen vermeiden.<br />
Die Schneckendrehzahl des Extruders wird in diesem Fall so geregelt, dass der Vordruck auf<br />
der Saugseite der Pumpe konstant bleibt. Durch Kombinationen von Extruder und<br />
Zahnradpumpe können Homogenisierung und Mischungserwärmung vom Druckaufbau<br />
getrennt werden, so dass konstante Durchsätze und hohe Drücke bei geringer<br />
Schererwärmung erreicht werden.<br />
2.2.3 Kontinuierliche Vulkanisation<br />
Neben dem Extruder ist die Vulkanisationseinheit wesentlicher Bestandteil einer<br />
Produktionslinie. Die ersten kontinuierlichen Vulkanisationsverfahren entstanden bereits<br />
Ende des 19. Jahrhunderts bei der Kaltvulkanisation kautschukbeschichteter Gewebe für<br />
Regenkleidung [RS06]. In der Vulkanisationsanlage findet unmittelbar nach dem Ausformen<br />
des Profils die Vernetzungsreaktion statt. Diese wird heute üblicherweise durch Einbringen<br />
thermischer Energie initiiert, wobei unterschiedliche Möglichkeiten zum Einleiten dieser<br />
Energie bestehen [Hab05]. In der industriellen Praxis sind vor allem das Salzbad (auch Liquid<br />
Curing Method, kurz LCM) sowie Heißluft- und Mikrowellen (UHF)-Kanäle verbreitet, die<br />
häufig in Kombination eingesetzt werden [Kle03]. Im Bereich der Profilherstellung wird in<br />
Europa am häufigsten das UHF-Verfahren aufgrund seiner Sauberkeit und Energieeffizienz<br />
eingesetzt [RS06]. Einen guten Überblick über diese und weitere Möglichkeiten zur<br />
Vernetzung von Kautschukprofilen gibt Hill [Hil96]. Bei der Auswahl des<br />
Vulkanisationsverfahrens sind verschiedene material- oder prozesstechnische Aspekte<br />
relevant. So müssen z.B. peroxidisch vernetzende Systeme unter Ausschluss von Sauerstoff<br />
verarbeitet werden. Besteht aufgrund flüchtiger Bestandteile in der Mischung die Gefahr<br />
ungewollter Porosität im Elastomer, wird eine Vulkanisation unter Druck notwendig. Die<br />
erforderliche Vulkanisationszeit ist häufig ein entscheidender Faktor für die maximale<br />
Extrusionsgeschwindigkeit, da eine Verlängerung der Vernetzungseinheiten nicht<br />
wirtschaftlich und bei gegebener Produktionsfläche häufig nicht möglich ist.<br />
Die Produktion geschäumter Elastomere erfordert eine exakte Auslegung der<br />
Vulkanisationsanlage. Bei der Extrusion chemisch treibender Kautschukmischungen besitzt<br />
die Vernetzungseinheit aufgrund der zeitlichen Parallelität von Vernetzungsreaktion und
EXTRUSION GESCHÄUMTER KAUTSCHUKPROFILE 15<br />
Schäumprozess einen besonders großen Einfluss auf die Produktqualität. Üblicherweise<br />
werden zelluläre Kautschukprofile durch eine Vernetzungseinheit geführt, welche die Wärme<br />
von außen über die Oberfläche in das Profil einbringt (LCM oder Heißluft). Dies hat zur<br />
Folge, dass beim Erreichen der Zerfallstemperatur des Treibmittels im Inneren des Profils die<br />
Außenhaut bereits einen hohen Vernetzungsgrad aufweist und sich bei der Expansion als<br />
geschlossene Haut über den geschäumten Kern spannt [NV97]. Nur auf diese Weise können<br />
hohe Oberflächenqualitäten erzielt werden. Der hydrostatische Druck in LCM-Anlagen<br />
erschwert das Aufschäumen des Profils, so dass im Vergleich zu Heißluftanlagen Schäume<br />
höherer Dichte entstehen [Noo97].<br />
Reichen die mit diesen Methoden erreichbaren Oberflächenqualitäten nicht aus, so können<br />
Heißluft- oder Infrarot-Schock-Vulkanisationsanlagen zur schnellen Vernetzung der<br />
Profiloberfläche genutzt werden. Diese Anlagen, die sich durch ihre kurze Baulänge (1-2 m)<br />
auszeichnen, befinden sich unmittelbar im Anschluss an das Extrusionswerkzeug und werden<br />
bei sehr hohen Temperaturen (bis 600 °C) betrieben [KPT07, RS06]. Da die kurze<br />
Verweilzeit in diesen Anlagen nur zur Vulkanisation der Außenhaut, nicht aber für die<br />
vollständige Vernetzung des Profils ausreicht, wird das Ausvulkanisieren ebenso wie der<br />
Zerfall des Treibmittels im Inneren des Profils in einer anschließenden UHF-Heißluft-<br />
Kombination durchgeführt. Die Nutzung von Mikrowellenenergie führt dabei zu einer<br />
gleichmäßigen Energiezufuhr im Inneren des Profils, wodurch eine sehr homogene<br />
Schaumstruktur erzielt werden kann [Kle03, Pod03]. Die Heißluft dient hauptsächlich dazu,<br />
die durch Mikrowellenenergie erreichte Vernetzungstemperatur zu halten.<br />
2.2.4 Peripherie<br />
Im Anschluss an die Vulkanisation folgt eine Abkühlung der Profile in einer Kühlstrecke, um<br />
eine Übervulkanisation der Profile oder Porenbildung durch Restgase zu vermeiden. Um den<br />
Anforderungen des Endkunden gerecht zu werden, sind darüber hinaus verschiedene<br />
Aggregate zur Veredelung der Profile erforderlich. Häufig werden die Produkte in<br />
Beflockungseinrichtungen durch das Aufbringen von dünnen, sehr kurzen Kunststofffasern<br />
mit einer optisch ansprechenden, samtartigen Oberfläche versehen. Für spezielle<br />
Anwendungen müssen die Oberflächen mit einem Gleitlack beschichtet werden (z. B.<br />
Scheibenwischerprofile). Darüber hinaus können in den Nachfolgeeinrichtungen funktionelle<br />
Details angebracht werden, z. B. Lochbohrungen für Entlüftungen von Hohlkammerprofilen.<br />
Zur kontinuierlichen Qualitätserfassung sind heute Inline-Systeme zur Vermessung der<br />
Geometrie sowie zur Detektion von Oberflächenfehlern Bestandteil der Produktionslinie.<br />
Nach Durchlaufen aller Nachfolgeeinrichtungen erfolgt das Zuschneiden oder Wickeln der<br />
Profile sowie eine Kennzeichnung der Fertigteile mit farbigen Codierungen oder<br />
Produktnummern [KPT07].