Extrusion 6-2022

gewährleistet werden. Beheizt werden die Werkzeugbereiche Thermoplast und Elastomer separat über zwei Heizkreise mit Heizpatronen. Coextrusionsversuche Mit dem neuen Coextrusionswerkzeug wurden Profile herge- stellt. Als Kautschukextruder kam ein 19 mm Laborextruder der Brabender GmbH & Co. KG, Duisburg, zum Einsatz und als Ther- moplastextruder der Plastograph 19/25 der Brabender GmbH & Co. KG, Duisburg. Dabei wurde ein PE-LD (MFI: 12) und eine rußgefüllte, schwefelvernetzende EPDM-Mischung (60 Shore-A) verwendet. Als Haupteinflussfaktoren auf die Verbundfestigkeit wurden der Druck und die Temperatur in der Fügezone des Werkzeugs variiert. Über die Schneckendrehzahl wird gleichzei- tig der Druck und Durchsatz und damit die Verweilzeit verän- dert. Bei konstantem Drehzahlverhältnis von Kautschuk- zu Thermoplastschnecke (5:2) wurde über eine dreistufige Varia- tion der Drehzahl der Durchsatz variiert. Die Drehzahl wurde von einer Nulllage (110 bzw. 40 1/min) jeweils um 25 Prozent erhöht bzw. gesenkt. Zudem wurden die Werkzeugtemperatur, die Temperatur des Thermoplastextruders sowie des Schmelze- schlauchs in 10 °C-Schritten variiert. Die Temperatur des Kautschukextruders war konstant 80 °C. In Vorversuchen zeigte sich, dass eine konventionelle Kalibrierung des Profils nicht um- setzbar ist, da der unvulkanisierte Kautschuk zu stark an den Ka- libriersteinen klebt. Der Abzug erfolgte stattdessen mit einem Kalander. Bild 3 zeigt den Einfluss der Schneckendrehzahl und Werkzeug- temperatur („TWkz“) auf Druck und Durchsatz. Der Durchsatz und der Druck vor der Thermoplastschneckenspitze („Druck TP“) steigen erwartungsgemäß etwa linear mit steigenden Drehzah- len und sinken bei steigenden Temperaturen. Die Druckwerte in der gemeinsamen Fließzone der beiden Komponenten im Werk- zeug („Druck Wkz“) zeigen hingegen keinen signifikanten Ein- fluss der variierten Parameter (Drehzahl, Werkzeugtemperatur). Der Druck im Thermoplast-Extruder wird vor allem durch den Druckverlust in der Schmelzeleitung zum Werkzeug bestimmt. Der Druckverlust im Werkzeug spielt eine untergeordnete Rolle. So verhindert auch der Druckanstieg in der Schmelzeleitung, dass der Prozesspunkt mit der niedrigsten Temperatur (160 °C) und höchsten Drehzahl (60 1/min) realisiert werden kann. Der Druck in der Schmelzeleitung hätte deren Festigkeit überstiegen. Des Weiteren wurden die Einflüsse der Thermoplastextruder- und Schmelzeleitungstemperierung auf Druck und Durchsatz untersucht. Im Rahmen der Messgenauigkeit blieb der Durch- satz konstant. Während mit steigender Temperatur des Extru- ders erwartungsgemäß der Druck an der Schneckenspitze sank, zeigte weder die Temperatur der Schmelzeleitung noch des Ex- truders einen messbaren Einfluss auf den Druck im Werkzeug. Vulkanisation der Coextrudate Eine Herausforderung bestand in der Vulkanisation des Kau- tschuks. Dieser wird dafür in der Regel auf Temperaturen von etwa 200 °C erhitzt und mit Heißluft für mehrere Minuten auf diesem Temperaturniveau gehalten. Dieses Niveau überschreitet die maximale Einsatztemperatur vieler Thermoplaste. Daher ist für die einstufige Coextrusion von Kautschuk und Thermoplast ebenfalls der Heizprozess anzupassen. Zur Vulkanisation der Coextrudate wurde eine Mikrowellenan- lage (UHF) gefolgt von einer Infrarot-(IR)-Anlage eingesetzt. Die Mikrowelle war ein Prototyp der Firma Gerlach Maschinenbau GmbH, Nettetal. Die Leistung der Mikrowelle betrug 1 kW und die der IR-Strahler 3 kW. Da PE transparent für UHF-Strahlung ist, konnte der Kautschuk mit der Mikrowelle in wenigen Sekunden aufgeheizt werden, ohne dass das PE erweicht. Zum Halten der Temperatur wurde das Profil 70 s mit IR-Strahlung erhitzt. Um das Profil nur auf der Kautschukseite zu erhitzen, wurden ledig- lich die unteren Strahler der IR-Anlage verwendet. Dank dieses Vorgehens konnte eine Erweichung des PE-LD vermieden wer- den. Anhand von Härtemessungen wurde der Vernetzungsgrad abgeschätzt. Aufgrund der kurzen Anlagenlänge bzw. Heizzei- ten waren jeweils 2 Durchläufe für die Vernetzung notwendig. Charakterisierung der Coextrudate Zur Charakterisierung der vulkanisierten Coextrudate wurden deren Biegesteifigkeit, Verbundfestigkeit sowie die Härte der EPDM-Komponente bestimmt. Zudem erfolgte eine Gefüge- analyse mittels Durchlichtmikroskopie. Um die Verbundfestigkeit der beiden Schichten der Coextrudate zu messen, wurden Schälversuche nach DIN EN 1464 durchge- führt. Allerdings war eine normgerechte Messung nicht mög- lich, da sämtliche Proben innerhalb des Kautschuks und nicht in der Grenzschicht versagten. Es lässt sich lediglich abschätzen, wie hoch die Haftfestigkeit mindestens sein muss, damit die Haf- tung hält, während der Kautschuk reißt. Die Festigkeit angelehnt an die Methode aus der DIN EN 1464 beträgt demnach mindes- tens 2,3 N/mm. Damit ist die Verbundfestigkeit so hoch, dass sie nicht mehr den begrenzenden Faktor für die Belastbarkeit des 38 Profil-Coextrusion – Aus der Forschung Extrusion 6/2022 Bild 3: Druck und Durchsatz bei Drehzahl- und Temperatur- variation Durchsatz Druck Wkz Druck TP-Extruder 160 140 120 100 80 60 40 20 0 160 140 120 100 80 60 40 20 0 160 140 120 100 80 60 40 20 0 8 7 6 5 4 3 2 1 0 8 7 6 5 4 3 2 1 0 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Durchsatz [kg/h] Druck [bar] Druck [bar] Druck [bar] Durchsatz [kg/h] Schneckendrehzahl [%] Schneckendrehzahl [%] Schneckendrehzahl [%] Durchsatz [kg/h] -50 -25 0 +25 +50 -50 -25 0 +25 +50 -50 -25 0 +25 +50 T Wkz = 160° T Wkz = 160° T Wkz = 160°