Extrusion 8-2023

wurde ein Schmelzefilter der Firma NORDSON (R-Type 250, Nordson BKG, Deutschland) eingesetzt, um festes PET von einem PP-PET Massenstrom mit einem Gesamtdurchsatz von 250 kg/h abzuscheiden. Zusätzlich wurde ein Doppelschneckenextruder (ZE65 Bluepower, KraussMaffei) für das Aufschmelzen und För- dern der Kunststoffschmelze sowie eine Schmelzepumpe (EP 176, Nordson BKG) zur Druckerzeugung eingesetzt. Der verwendete Schmelzefilter (vgl. Bild 4 ) dient der Separation von nicht aufgeschmolzenen und festen Partikeln aus der Schmelze im Siebrohr. Durch das Siebrohr zurückgehaltene Par- tikel werden mit einer rotierenden Messerwelle abgeschabt und zur Austragswelle gefördert. Die Feststoffpartikel werden dann durch eine separate Austragsschnecke aus dem Filter entfernt, während die Kunststoffschmelze auf der Rückseite des Filters ausgetragen und einer Unterwassergranulierung zugeführt wird. Für die Untersuchungen wurde der Schmelzefilter mit einem rei- nen PP-Massenstrom angefahren und das PET-Granulat sukzes- sive gravimetrisch zudosiert. Der Gesamtmassenstrom wurde dabei konstant gehalten, sodass der PP-Massenstrom bei Zugabe von PET reduziert wurde. Der Materialaustrag des Schmelzefil- ters wurde anschließend analysiert. Zunächst wurden die Unter- suchungen mit einer eingängigen Austragsschnecke und anschließend mit einer zweigängigen Austragsschnecke durch- geführt. Durch die Verwendung der eingängigen Austrags- schnecke konnten maximal 7 ma.% des Gesamtmassenstroms erfolgreich aus der Schmelze gefiltert werden. Der gefilterte PET- Massenanteil ist dabei direkt abhängig von der Drehzahl der Austragsschnecke. Wie aus Bild 5 (links) hervorgeht, steigt der Austrag mit steigender Filterdrehzahl stetig. Durch den Einsatz einer zweigängigen Austragsschnecke konnte der Austrag von PET gesteigert werden. Bei gleicher Filterdrehzahl konnte der PET-Austrag mehr als verdoppelt werden und erreichte ein zeit- lich konstantes Maximum von 16 ma.% des Gesamtmassen- stroms von 250 kg/h. Höhere Konzentrationen an PET können mit diesem Schmelzefilter also vor- erst nicht separiert werden. Wie aus beiden Grafiken ersichtlich wird, ist der Materialaustrag in der Regel zen des Prozesses stellen dabei am unteren Rand des Pro- zessfensters ein unvollständiges Aufschmelzen des PP dar und am oberen Rand das Schmelzen von PP und PET. In Bild 3 (oben) sind diese beiden Fälle anhand der inver- tierten Aufnahmen vom Fließkanal erkennbar. Links sind neben den weiß erscheinenden PET Partikeln auch PP Partikel zu sehen. Auf der rechten Aufnahme wird das Schmelzen des PET durch Schlierenbildung sichtbar. Zur anschließenden Filtration muss der Prozess innerhalb dieser Grenzen ablaufen, um die Trennung des festen PET aus der PP Schmelze zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde untersucht, wie sich die Prozessparameter auf die Größe der Fest- stoffpartikel auswirken, da besonders kleine Partikel bei der Fil- tration potenziell schlechter zurückgehalten werden und die Maschen des Filters passieren können. Daneben sollte angestrebt werden, dass der Prozess möglichst an der unteren Grenze des genannten Prozessfensters betrieben wird, um eine unnötig hohe thermische Belastung der PP Schmelze zu vermeiden und eine hohe Energieeffizienz zu erzielen. Von den drei untersuchten Schneckendesigns konnte das Design B mit zwei Knetblockele- menten die besten Ergebnisse erzielen. Der Aufbau A ohne Knet- blockelemente konnte keine ausreichende Plastifizierleistung erbringen, wodurch das PP trotz hoher Zylindertemperaturen und Drehzahlen nicht vollständig aufschmelzen konnte. Im Vergleich zum Design C mit vier Knetblockelementen ist die Deformation und Zerkleinerung beim Design B erheblich geringer. Der Effekt der Zerkleinerung des Feststoffs konnte auch durch Er- höhung der Drehzahl beobachtet werden. Wie in Bild 3 (unten) zu erkennen ist, führt die Drehzahlerhöhung zu einem größe- ren Feinanteil an PET Partikeln, was für die anschließende Filtra- tion unerwünscht ist. Im Gegensatz zur Knetblockanzahl und Drehzahl konnte hin- sichtlich der Partikelgröße kein Einfluss durch die Variation des Durchsatzes und PET-Anteils beobachtet werden. Insgesamt konnte ein großes Prozessfenster gefunden werden, in dem ein separates Aufschmelzen der PP Komponente statt- findet. Bei einer Schneckenkonfiguration mit zwei Knetblock- elementen schmilzt das PP ab einer Drehzahl von 200 U/min und einer Zylindertemperatur von 200 °C bei Durchsätzen unter 45 kg/h homogen auf, während das PET im festen Zustand bleibt. Die obere Grenze des Prozessfensters liegt bei einer Zy- lindertemperatur von 240 °C. Abhängig vom Durchsatz und der Geschwindigkeit beginnt das PET bei dieser Temperatur zu schmelzen. Filtrationsuntersuchungen Basierend auf den Ergebnissen wurden mit der Firma NORDSON BKG GmbH Untersuchungen durchgeführt. Zu diesem Zweck 58 Recycling – Aus der Forschung Extrusion 8/2023 Bild 4: Aufbau des NORDSON BKG ® HiCon™ R-Type 250 Schmelzefilters Bild 5: Vergleich zwischen PET Zugabe und Materialaustrag aus dem Filter. Links: Eingängige Austragsschnecke, rechts: Zweigängige Austragschnecke Operation Cooling Zone II discharge (highly contaminated melt) discharge screw Cooling Zone I strainer tube melt outlet (filtered melt) connection melt inlet rotating cutter shaft scrapes dirt from the strainer tube PET Zugabe Materialaustrag PET Zugabe Materialaustrag 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 Drehzahl [1/min] Drehzahl [1/min] Masseanteil [ma.%] Masseanteil [ma.%] 8 7 6 5 4 3 2 1 0 25 20 15 10 5 0