Extrusion 5-2022

ausreichend großen Differenz der Schmelzpunkte der beiden Kompo- nenten, sodass die Fasern in der Compoundherstellung nicht auf- schmelzen. Im Rahmen des Forschungsprojekts werden daher zuerst Polyethylenter- ephthalat (PET)-Fasern in eine Poly- propylen (PP)-Matrix eingebettet und dann das hergestellte Compound bezüglich der mechanischen Eigenschaften und der Recyclingfähigkeit untersucht. Die Verwendung dieser Material- kombination wird durch den höheren Schmelzpunkt von PET ge- genüber PP bedingt. Material- und Versuchsparameterauswahl In einem ersten Schritt wurden grundsätzliche Untersuchungen zu den resultierenden Materialeigenschaften in Abhängigkeit der Materialzusammensetzung und der Verarbeitungstempera- tur durchgeführt. Als Matrixmaterial wurde Polypropylen des Typs 579S der Firma Sabic, Riad, Saudi-Arabien, verwendet. Als PET-Fasern wurden verschiedene Typen der Firma Advansa GmbH, Hamm, Deutschland, verwendet. Sie unterscheiden sich in der Garnfeinheit, der Faserlänge und dem Faserdurchmesser. Die chemische Unverträglichkeit von PP und PET bedingt den Einsatz eines Kompatibilisators. Als Kompatibilisator kam daher ein Maleinsäureanhydrid-gepfropftes Polypropylen des Typs SCONA TPPP 9012 GA der Firma BYK Additives & Instruments, Wesel, Deutschland, zum Einsatz. Die Untersuchungen bezüg- lich der Materialzusammensetzung basieren auf einer Variation des Kompatibilisatoranteils und des Fasertyps. Zusätzlich wur- den die Verarbeitungstemperaturen variiert, da der Kompatibi- lisator bei erhöhten Temperaturen reaktiver wird. Weil sich die thermoplastischen Fasern bei hohen Verarbeitungstemperatu- ren jedoch zunehmend plastisch verformen, gilt es, einen guten Kompromiss zwischen ausreichender Reaktivität des Kompatibi- lisators und einer Schonung der Fasern zu finden. Die gewählten Parameter wurden jeweils dreistufig variiert. Die Werte der Stufen der einzelnen Parameter sind in Tabelle 1 dar- gestellt. Die Beschreibung des Fasertypen erfolgt hierbei anhand der Garnfeinheit GF, der Faserlänge FL und der Faserdicke FD. Zur Vereinfachung werden im Folgenden die PET Fasertypen mit 35 Extrusion 5/2022 den in Tabelle 1 genannten Kurzbezeichnungen beschrieben. Als Referenzmaterial wurde eine E-Glasfaser des Typs CS 7952 der Lanxess AG, Köln, Deutschland, mit einer Garnfeinheit von 4 dtex, einer Länge von 4,5 mm und einem Faserdurchmesser von 14 µm verwendet, die in Gewichtsanteilen von 10, 20, 30 Prozent eindosiert wird. Versuchsaufbau und Prüfmethodik Für die Herstellung der Compounds wurde ein Doppelschnek- kenextruder des Typs ZSK26Mc18 der Firma Coperion GmbH, Stuttgart, Deutschland, verwendet. Der Durchmesser der beiden Schnecken D beträgt 26 mm und die Gesamtlänge des Extru- ders beträgt 44D. Das Matrixmaterial wurde in den Haupttrich- ter eindosiert und aufgeschmolzen. Anschließend wurde der Kompatibilisator über einen Side-Feeder eindosiert und einge- mischt. Die Fasern wurden zur Reduktion der mechanischen Ein- wirkung und der damit verbundenen Faserschädigung erst im letzten Drittel des Extruders hinzugegeben. Über ein einfaches Lochplattenwerkzeug mit zwei Öffnungen wurden zwei Stränge ausgeformt, über eine Sprühkühlung abgekühlt und anschlie- ßend granuliert. Der Aufbau der Extrusionslinie ist in Bild 1 dar- gestellt. Zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften der herge- stellten Compounds wurden im Spritzgießprozess Prüfkörper für den Zugversuch nach DIN EN ISO 527, den 3-Punkt-Biegever- such nach DIN EN ISO 178 und die Charpy-Kerbschlagzähig- keitsprüfung nach DIN EN ISO 179-1 hergestellt. Resultierende Materialeigenschaften Die hergestellten Compounds werden anhand von drei mecha- nischen Eigenschaften charakterisiert. Dazu zählen die Zugfestig- keit, die Biegefestigkeit und die Kerbschlagzähigkeit. Erste Untersuchungen zeigen, dass eine Änderung des Kompatibili- satoranteils im untersuchten Bereich zwar keinen Einfluss auf die gewählten mechanischen Eigenschaften, jedoch einen Einfluss auf die Verteilung der Fa- sern im Bauteil, hat. In Bild 2 sind Auf- lichtmikroskopieaufnahmen von Zug- prüfkörpern mit dem Fasertyp L6/D12,5 im Querschnitt bei verschiedenen Verar- beitungstemperaturen mit einem Kom- patibilisatoranteil von 2 und 5 Gew. % dargestellt. Die PET-Fasern sind in Bild 2 als weiße Punkte und die PP-Matrix als grauer Tabelle 1: Variationsstufen der Versuchsparameter Parameter Kompatibilsatoranteil [%] Fasertyp [GF (dtex) / FL (mm) / FD (µm)] Faserkurzbezeichnung Fasergehalt [Gew. %] Verarbeitungstemperatur [°C] Stufe 1 2 1,7 / 6 / 12,5 L6/D12,5 30 200 Stufe 2 3,5 6,4 / 12 / 20 L12/D20 30 220 Stufe 3 5 17,5 / 12 / 40 L12/D40 30 240 200 °C 5 Gew.% 2 Gew.% 220 °C 240 °C Extruder-Gehäusetemperatur Kompatibilisatorgehalt 200 µm 200 µm 200 µm Faseranhäufung 200 µm 200 µm 200 µm Bild 2: Abhängigkeit der morphologischen Struktur von der Temperatur und dem Kompatibilisatorgehalt bei 30 Gew. % Fasergehalt