Masterbatch Compounding: Werkzeuge zur Verbesserung der Farb- und Pigmentdispersion

Ein Doppelschneckenextruder führt unterschiedliche Prozessschritte durch. Stellt man sich die einzelnen Prozessschritte als Teil eines Werkzeugkastens vor, lässt sich gut erkennen, an welchen Stellschrauben gedreht werden kann, um Masterbatch in sehr hoher Qualität zu produzieren.

Gleichsinnig drehende, dichtkämmende Doppelschneckenextruder eignen sich außerordentlich gut für die Herstellung von Farb-Masterbatch und bieten hierfür zahlreiche Vorteile. Dazu zählen u.a. die ausgezeichnete Dispersion bei hohem Durchsatz, die zuverlässige Verarbeitung hoher Pigmentanteile, eine lange Lebensdauer der Extruderschnecken und -gehäuse sowie die einfache Maschinenbedienung. Die Verarbeitung von Farbmasterbatches bringt jedoch auch eine Reihe von Herausforderungen mit sich, wie z. B. die Handhabung der Rohstoffe, die Dispersion von Pigmenten und die Reinigung bei Farbwechseln.

Dieser Artikel befasst sich mit den Werkzeugen, die uns für die Produktion hochwertiger Farb-Masterbatches zur Verfügung stehen. Zudem beleuchten wir Maßnahmen, um Herausforderungen im Prozess zu bewältigen und um gleichzeitig den Durchsatz und die Produktqualität zu maximieren.

Ein Doppelschneckenextruder kann als eine Art „Werkzeugkasten“ betrachtet werden: Dem Bediener oder Verfahrenstechniker stehen viele Möglichkeiten und Modifikationen zur Verfügung, um einer bestimmten Compoundieraufgabe gerecht zu werden. Die Herstellung hochwertiger Pigment-Dispersionen mit Doppelschneckenextrudern ist ein etabliertes Verfahren und hat sich vielfach bewährt. Jedoch verhält sich nicht jedes Pigment gleich und kann daher auch nicht auf dieselbe Art und Weise verarbeitet werden. Die Handhabung der Pigmente und deren Verarbeitung innerhalb des Doppelschneckenextruders sind für die Qualität der Endprodukte von entscheidender Bedeutung.

Doppelschneckenextruder führen, auch wenn sie meist als eine Einheit betrachtet werden, verschiedenste Prozessschritte aus. Um zu verstehen, wie das beste Ergebnis beim Endprodukt erzielt werden kann, ist ein genauerer Blick auf die einzelnen Prozessschritte des Doppelschneckenextruders entscheidend.

In diesem Beitrag konzentriert wir uns beim Compoundieren von Masterbatches in erster Linie auf das Split-Feed-Verfahren – anstelle der Premix-Methode, obwohl beide Herstellungsmethoden für Farb-Masterbatches eingesetzt werden.

Prozessschritt: Dosieren

Es ist wichtig, das Rohmaterial und deren Eigenschaften zu kennen. Die Auswahl des passenden Dosierers – wie Doppelschnecken-Dosierer, Einfachschnecken-Dosierer, usw. – hängt vom Verhalten der Ausgangsmaterialien ab.

Ist der richtige Dosierer ausgewählt, kann das Einbringen des Materials in den Doppelschneckenextruder die nächste Herausforderung darstellen. Je nach Ausgangsmaterial kann es zu Fluidisierung und Belüftung des Materials kommen, bevor es in die Anlage eingebracht wird. Die Positionierung der Dosierer oberhalb des Doppelschneckenextruders ist sehr wichtig, um die Fluidisierung und den Lufteintrag zu minimieren. Insbesondere Pulver sind sehr anfällig dafür, Luft in das Verfahrensteil des Extruders mitzuführen. Abhilfe schaffen der Einsatz von Filtersocken oder eines Aspirationssystems, da andernfalls in die Dosierleitung zurückströmende Luft den Produkteinzug beinträchtigen kann.

Mit der Positionierung des Dosierers lässt sich der Lufteintrag beeinflussen. Sobald das Rohmaterial in den Dosierer eintritt, besteht die Möglichkeit, dass sich das Pulver etwas verdichtet und sich die Schüttdichte erhöht. Beginnt der Dosierprozess, wird das Material, abhängig von der Höhe über dem Extruder, aufgelockert. Dies führt wiederum zu einer Verringerung der Schüttdichte und somit zu Problemen beim Materialeinzug.

Als Faustregel sollten normalerweise nicht mehr als 15% eines Farbpigment-Pulvers über den Haupteinzug in den Doppelschneckenextruder dosiert werden, um Problemen beim Produkteinzug vorzubeugen. Liegt das Farbpigment in Granulatform vor, treten die Probleme beim Produkteinzug nicht auf.

Für Farbpigment-Pulver mit Anteilen zwischen 20% und 80% empfiehlt sich das Split-Feed-Verfahren, bei dem die Dosierung des Farbpigments zwischen dem Haupt- und der Seitenzuführung aufgeteilt wird – wobei stromab mehrere Seitendosierungen für die Pigmentzugabe zum Einsatz kommen können.

Prozessschritt: Aufschmelzen

Die Aufschmelzung des Polymers im Doppelschneckenextruder wird durch unterschiedliche Faktoren erzielt. Dazu zählen die externe Beheizung des Verfahrensteils, die Reibung und/oder die Wärmeübertragung der Polymer-Schmelze. Ein Doppelschneckenextruder besteht aus mehreren Zonen, in denen durch Heizung oder Kühlung dem Prozess Energie entweder zugeführt oder entzogen wird. Mit steigender Extrudergröße sinkt der Effekt der externen Beheizung oder Kühlung, da sich das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen verringert.

Eine weitere Einflussgröße ist die Reibung, die im Doppelschneckenextruder zwischen den Polymergranulaten oder Pulverpartikeln oder zwischen dem Material und den Schneckenelementen entsteht. So tritt beispielsweise Reibung und Scherung in den engen Zwischenräumen der Knetblöcke auf. Die Intensität lässt sich durch das Schneckenprofil, die Durchsatzrate und die Drehzahl der Doppelschnecken beeinflussen. Zudem trägt die Wärmeübertragung innerhalb der Polymerschmelze dazu bei, das Polymer vollständig aufzuschmelzen.

Das Design der Knet- und Mischzone richtet sich nach der Art des zu verarbeiteten Polymers. Sie kann unterschiedlichste Knetelemente umfassen. Dazu zählen dreigängige und zweigängige 45°- (Förder-) Elemente, zweigängige 90°- (neutrale) Knetelemente und/oder linksgängige (rückfördernde) Knet- oder Förderelemente.

Eine Kombination dieser Elemente sorgt für die nötige mechanische Energie und Verweilzeit, um ein Polymer wirksam aufzuschmelzen und zu homogenisieren, bevor es weiter stromab transportiert wird. Linksgängige (rückfördernde) Elemente bauen innerhalb des Doppelschneckenextruders Druck auf. Dieser Bereich muss so ausgelegt werden, dass das Polymer nicht übermäßig geschert und abgebaut wird. Es ist sehr wichtig, dass das Material beim Verlassen der Aufschmelzzone vollständig aufgeschmolzen ist, um die Benetzung der stromab zugegebenen Farbpigmente sicherzustellen.

Prozessschritt: Split-Feed

Wie bereits erwähnt, kann abhängig vom Anteil eines Farbpigments in einer Rezeptur ein Teil davon über den Haupteinzug des Doppelschneckenextruders zugegeben werden. Abhängig von der Teilchenform und -größe sind das bis zu 15 % oder mehr. Sind jedoch höhere Farbpigment-Anteile (bis zu 80 %) einzubringen, sollte deren Zugabe im Split-Feed-Verfahren erfolgen. Dabei wird das Pigment sowohl über den Haupteinzug des Extruders als auch über eine oder mehrere stromab positionierte Seitenbeschickungen in den Prozess gegeben. Die Materialaufteilung beim Split-Feed-Verfahren ist abhängig von der Art des Materials und dessen Konzentration.

Prozessschritte: Einarbeiten und Entgasen

Die richtige Aufschmelzung ist bei der Produktion hochwertiger Farbpigment-Dispersionen mit Doppelschneckenextrudern sehr wichtig. Dasselbe gilt stromab für die Einarbeitung. Sobald das Farbpigment in den Doppelschneckenextruder eingebracht und mit der Polymer-Schmelze benetzt wurde, ist die richtige Konfiguration der Einarbeitungszone(n) stromab entscheidend für die gleichmäßige Verteilung und Dispersion des Farbpigments. Wie schon angesprochen, wird beim Dosieren gemeinsam mit dem Pigmentpulver häufig Luft eingetragen. Dies ist auch bei der Seitendosierung der Fall. Ein Teil dieser Luft kann über eine Entlüftung direkt am Gehäuse der Seitendosierung ausgeleitet werden.

Allerdings gelangt der überwiegende Teil dieser Luft in der Tat in die Einarbeitungszone. Ist dieser Bereich nicht richtig konfiguriert, könnte dadurch mitgeführte Luft in die Seitendosierung zurückströmen, was wiederum die Materialzugabe beeinträchtigen kann. Im Idealfall wird in der Einarbeitungszone das Pigment zunächst mit der Schmelze benetzt und die mitgeführte Luft weitergeleitet, um sie über eine atmosphärische Entlüftung stromab auszutragen.

Prozessschritt: Entgasung

Nachdem das Produkt die meisten Verfahrensschritte durchlaufen hat, steht das Material kurz vor dem Austreten aus dem Doppelschneckenextruder. Ein wichtiger Prozessschritt, der jedoch zuvor noch erfolgen sollte und mitunter übersehen wird, ist die Entgasung im Extruder. Dies ist wichtig für die Produktqualität, da bei der Entgasung der Polymer-Schmelze Luftblasen und/oder andere flüchtige Substanzen entzogen werden, um am Ende ein nicht poröses, dichtes Granulat zu erzeugen.

Ist das fertige Granulat porös, kann dies die Festigkeit und Haltbarkeit des fertigen Formteils beeinträchtigen. An einen Doppelschneckenextruder kann recht einfach ein Vakuum angelegt werden. Dabei werden an ein offenes Gehäuse mit Vakuumdom ein Abscheider (oder Kondensator) und eine Vakuumpumpe angeschlossen.

Es gibt jedoch Fälle, in denen unabhängig von der Stärke des angelegten Vakuums oder von der Schneckendrehzahl Material durch die Vakuum-Entlüftungsstutzen austritt. Dann verstopft die Entlüftungsöffnung und eine angemessene Entgasung ist nicht mehr möglich. In solchen Fällen kann die zweiwellige Seitenentgasung ZS-EG eingesetzt werden. Sie hält das Material zuverlässig im Verfahrensteil, während die Gase vollständig entzogen werden.

Prozessschritte: Druckaufbau und Granulierung

Die Auslegung der Druckaufbauzone ist weniger komplex als die der anderen Verfahrenszonen. Die Polymerströmung in diesem Abschnitt ist eine Kombination aus der Schleppströmung in Richtung Schneckenspitzen (aufgrund der Rotation der Schneckenwellen) und der Druckströmung stromaufwärts (weg vom Auslass des Doppelschneckenextruders). Es ist wichtig, auf die Positionierung der Vakuumanschlüsse zu achten, da ein zu starker Druckaufbau zu Entgasungsproblemen führen kann.

Bei der Granulierung von Farbmasterbatches wird in der Regel entweder eine Strang- oder eine Unterwassergranulierung eingesetzt. Höhere Beladungen mit Farbpigmenten von annähernd 80% können dazu führen, dass die Stränge sehr spröde werden. In diesem Fall ist eine Unterwassergranulierung die bessere Wahl. Allerdings hängt dies immer auch vom Typ des verwendeten Pigments und Polymers ab.

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