Naturfasern aus dem Trockner

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Naturfasern aus dem Trockner

Kontinuierliche Trocknung von Holz-PVC-Granulat für die Einschneckenextrusion

Feuchtigkeit, die in den Holzzellwänden von WPC gebunden ist, verdampft im Extrusionsprozess und führt zu Mängeln im Endprodukt. Durch eine Vortrockung des Granulats lassen sich diese Nachteile vermeiden.

D

ie Verstärkung thermoplastischer Kunststoffe mit Holzmehl oder an- deren Naturfasern bietet im Vergleich zur Verwendung traditioneller Füllstoffe, wie Glasfasern oder mineralischen Ver- stärkungsstoffen, Vorteile. Biobasierte Verstärkungen entstammen erneuerba- ren Rohstoffquellen und tragen zur Nachhaltigkeit der daraus hergestellten Produkte bei. Im Vergleich zu syntheti- schen Füllstoffen haben Naturstoffe niedrigere Rohdichten, sind CO₂-neutral, biologisch abbaubar und meistens kos- tengünstiger [1-3].

Wood-Plastic-Composites (WPC)-Pro- file finden heute in Außen- und Innenan- wendungen, beispielsweise als Fassaden- elemente, Wandverkleidungen oder Ter- rassendielen breite Verwendung.

Die Herstellung von WPC-Profilen erfolgt meist in einem zweistufigen Verfah- ren. Zunächst wird das Holzmehl in die Kunststoffschmelze homogen eingear- beitet, komprimiert und granuliert. An- schließend erfolgt die Extrusion zu End- losprofilen.

Für die Herstellung der WPC-Profile werden fast ausschließlich gegenläufige Doppelschneckenextruder verwendet. Die Gründe für den weit verbreiteten Einsatz der im Vergleich zu Einschneckenextru- dern wesentlich teureren Doppelschne- ckenextruder liegen in der seriellen Aus-

stattung mit Entgasungsanlagen, in den hohen Durchsätzen und der besseren Misch- und Homogenisierungsleistung.

Bei Einschneckenextrudern erfolgt der Massetransport durch die Haftung der Schmelze an Zylinder und Schnecke, die sich relativ zueinander bewegen (Schlepp- förderung). Aufgrund fehlender Entga- sungsmöglichkeit ist die Einschnecken- extrusion zellulosehaltiger bzw. hygros- kopischer Rohstoffe zusätzlich erschwert.

Hygroskopizität von Holz und WPC-Compounds

In Abhängigkeit von Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit des Umgebungskli- mas stellt sich im Holz ein bestimmtes Feuchtegleichgewicht ein. Durch Chemi- sorption, die vor allem bei Holzfeuchten zwischen 0 und 6 % stattfindet, werden die Wassermoleküle über Wasserstoff- brücken mit den Hydroxylgruppen der Cellulose zwischen den benachbarten Cel- luloseketten eingelagert [4]. Im weiteren

Bild 1. Wasserauf- nahme des 50 % Holz-PVC-Granulats in Abhängigkeit von relativer Luftfeuchte und Lagerungsdauer bei 23 °C (Bild: E. Sykacek/

BOKU Wien)

Klimatisierungsdauer 8

% 6 5 4 3 2 1 00

Wassergehalt x

1 2 3 4 5 6 7 8 9 d 10

32,7 % 43,8 %

relative Feuchte: 57,7 %

70,8 %

84,3 %

Bild 2. Der Extrunet-Einschneckenextruder ECE 42 mit Profilwerkzeug (Bild: E. Sykacek/BOKU Wien)

© Kunststoffe

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Trotz Umhüllung der Holz-Partikel mit Kunststoff stellt sich auch in WPCs ent- sprechend dem Umgebungsklima ein bestimmtes Feuchtegleichgewicht ein.

Bild1 veranschaulicht die Wasseraufnah- mekapazität eines getrockneten, mit 50%-Holzmehl verstärkten Polyvinylchlo- rid (PVC)-Granulats. Die Lagerung des tro- ckenen Holz-PVC-Granulats in trockener Luft (32,7 % rel. Luftfeuchte) führt inner- Verlauf bei Holzfeuchten zwischen 6 und

15 % wird das Wasser in erster Linie durch physikalische Sorptionsvorgänge in die Zellwände eingelagert [4]. Die Kapillarkon- densation findet vor allem bei Holzfeuch- ten über 15 % bis zur vollständigen Sätti- gung der Zellwände mit Wasser statt. Die Bindungsenergie des in den Zellwänden gebundenen Wassers ist umso höher, je niedriger der Wassergehalt ist [5].

halb von 24 Stunden zu einem Anstieg des Granulat-Wassergehalts auf 2 %. Eine Umgebungsluftfeuchte von 84 % bewirkt im selben Zeitraum einen Anstieg des Wassergehalts auf über 5 %.

Während der Extrusion von WPC verdampft das in den Holzzellwänden gebundene Wasser aufgrund der hohen Verarbeitungstemperaturen. Insbeson- dere bei fehlender Entgasungsmög-

»

Bild 3. Die am ECE 42 mit Schneckendrehzah- len von 60 UpM erzeugten Profile; Oberflä- chen (oben) und Querschnitte (unten) aus Holz-PVC-Granulaten mit 2 % (links), 1 % (Mitte) und 0,1 % (rechts) Wasser (Bild: E. Sykacek/ BOKU Wien)

Tabelle 1. Biegefestigkeiten, Dehnungen und Elastizitätsmoduln der Stabprofile in Abhängigkeit von Schneckendrehzahl (Durchsatz) und Granu- lat-Aufgabefeuchte. Die Standardabweichungen sind in Klammern angeführt

Schneckendrehzahl [U/min] Durchsatz [kg/h] Wasseranteil Granulat [%] Biegefestigkeit [MPa] Biegedehnung [%] Biege- E-Modul [MPa]

10 ≈ 6 1,0 34,4 (1,6) 1,29 (0,10) 3030 (746)

60 ≈ 30 1,0 23,3 (5,0) 1,89 (0,72) 1385 (659)

10 ≈ 6 0,1 47,7 (2,3) 1,20 (0,08) 5045 (494)

60 ≈ 30 0,1 44,9 (2,2) 1,28 (0,06) 4705 (236)

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lichkeit entstehen im Endprodukt Blasen- und Hohlräume. Zusätzlich wirkt das an der Faseroberfläche gebundene Wasser als Trennmittel zwischen Zellulose-Füll- stoff und Polymer-Matrix [6]. Beide Fak- toren führen zu erheblichen Festigkeits- verlusten im Endprodukt.

Verschiedene Granulatfeuchten in der Einschneckenextrusion

Am Institut für Naturstofftechnik (IFA- Tulln, Universität für Bodenkultur, Wien/

Österreich) wurden der Einfluss des Granulat- Wassergehalts in der Einschne- ckenextrusion von WPC und Optimie- rungsmöglichkeiten durch ausreichende Vortrocknung analysiert. Aufgrund der positiven Erfahrungen [7] wurde für die- sen Zweck der Segmentradtrockner Dry- max Aton2 F120 der Wittmann Kunststoff- geräte GmbH, Wien/Österreich, ausge- wählt.

Eine mit 50 % Holzmehl verstärkte PVC-Mischung wurde an einem koni- schen, gleichlaufenden Doppelschne- ckenextruder MAS 55 (Hersteller: MAS Maschinen- und Anlagenbau Schulz GmbH, Pucking/Österreich) compoun- diert und das Granulat auf Wassergehalte von 2, 1 und 0,1 % eingestellt. Für die Ein- schnecken-Profilextrusion wurde ein Co- Extruder ECE 42 (Hersteller: Extrunet GmbH, Kremsmünster/Österreich) verwendet (Bild2). Dieser verfügt über vier Zylinderheizzonen, eine Adapter- und zwei Werkzeugheizzonen sowie eine

Praxisnutzen

Eine ausreichende Vortrocknung ermög- licht die kosteneffiziente Herstellung von qualitativ hochwertigen WPC-Profilen mittels Einschneckenextrusion. Insbesondere bei hohen Durchsätzen wird die Produkt- qualität und Prozesssicherheit durch eine effiziente Trocknung sichergestellt. Das Trockenluftprinzip des Segmentradtrock- ners Aton2 F120 gewährleistet bei niedriger Trocknungstemperatur von 80 °C einen materialschonenden und effizienten Wasserentzug aus kunststoffumhülltem Holzmehl.

Die Autoren

Dipl. Ing. Eva Sykacek ist wissenschaftli- che Mitarbeiterin am Institut für Natur- stofftechnik, IFA-Tulln, Universität für Bodenkultur Wien.

Micha Poszvek arbeitet am Institut für Naturstofftechnik an seiner Masterarbeit

„Analyse und Optimierung des Einschne- ckenextrusionsprozesses am Beispiel eines Polyvinylchlorid (PVC) -basierten Holzmehl-Verbundes“.

Dipl. Ing. Pauline Rivière ist Dissertantin am Institut für Naturstofftechnik.

Prof. Dr. Norbert Mundigler ist Leiter des Instituts für Naturstofftechnik, IFA- Tulln, Universität für Bodenkultur Wien.

Dank

Die Autoren danken der Österreichi- schen Forschungsförderungsgesell- schaft (FFG) für die Finanzierung dieser Studie im Rahmen des Projekts “838501:

Unowood-Prozessentwicklung zur Her- stellung von Wood-Plastic-Composites mittels Einschneckenextrusion“. Das Ins- titut für Naturstofftechnik ist der Firma Wittmann Kunststoffgeräte GmbH für den zur Verfügung gestellten Trocken- lufttrockner Drymax Aton2 F120 sehr dankbar.

Service

Literatur & Digitalversion

B Das Literaturverzeichnis und ein PDF des Artikels finden Sie unter www.kunststoffe.de/1028453

Standardschnecke mit einem L/D-Ver- hältnis von 23.

Die unterschiedlich feuchten Granula- te wurden mit Schneckendrehzahlen von jeweils 10 und 60 UpM zu Stabprofilen (40 mm x 6 mm) extrudiert. Bild3 zeigt die bei den höheren Schneckendrehzahlen von 60UpM hergestellten Profile in Ab-

Bild 4. Der am Institut für Naturstofftechnik in Betrieb genommene Segmentradtrockner Drymax Aton2 F120 mit dem Dosiergerät Feedmax (Bild: E. Sykacek/ BOKU Wien)

0 -5 -10 -15 -20 -25 -30 -35

0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 -2,5 -3,0 -3,5 -4,0 mg/min mg

thermischer Masseverlust (TG) Abbaugeschwindigkeit (DTG)

100 200 300

Temperatur

400 500 °C

-11,89

-9,09

-3,46 -1,85

-9,12

restliche Masse: 2,21 mg (598,3°C) -0,98

TG DTG

Bild 5. Thermischer Masseverlust und Abbaugeschwindigkeit von 38,5 mg des WPC-Compounds in einem Temperaturbereich von 0 bis 600 °C (Bild: P. Rivière/ BOKU Wien)

© Kunststoffe

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hängigkeit von der Aufgabefeuchte des Holz-PVC-Compounds.

Bei der Verwendung der feuchtesten Granulate ist der während der Extrusion entstehende Wasserdampfdruck so hoch, dass die Profile in kleine Stücke gerissen werden (Bild 3, links). Die Verwendung von Granulaten mit einem Wassergehalt von 1 % ermöglicht zwar die Herstellung von Endlosprofilen, führt jedoch zu erheblichen Blasenbildungen im Profilquer- schnitt (Bild 3, Mitte). Durch die Trocknung der Granulate auf 0,1 % wird auch bei hohen Durchsätzen über 30 kg/h eine gute Produktqualität erzielt (Bild 3, rechts).

Festigkeitsverluste durch 1 % Wasser

Die analog ISO EN 178 gemessenen Biege- eigenschaften der mit Granulatfeuchten von 1 und 0, 1 % erzeugten Profile sind in

Tabelle1 angegeben.

Die Biegefestigkeiten der mit niedri- gen Durchsätzen erzeugten Profile werden bei Verwendung der feuchten Holz- PVC-Granulate um 28 % reduziert. Durch Verwendung höherer Drehzahlen wird der Einfluss des Wassers noch deutlicher.

Die Biegefestigkeiten werden durch die Verwendung des Granulats mit 1 % Was- ser um 48 % vermindert. Angesichts der erzielbaren höheren Durchsätze unter Gewährleistung der Produktqualität und Prozesssicherheit ist die Implementie- rung einer kontinuierlichen Granulat- trocknung in der WPC-Einschnecken extrusion sinnvoll. Der Segmentradtrock- ner Drymax Aton2 F120 (Bild4) ist speziell

für die Trocknung von Kunststoffgranu- laten bei Trocknungstemperaturen zwischen 80 und 130°C konzipiert. Das Tro- ckensilo verfügt über ein Fassungsver- mögen von 300 l. Im Gegensatz zu Um- lufttrocknern bietet das Gerät durch die Verwendung von Trockenluft auch bei wechselndem Klima der Umgebungsluft konstante Trocknungsqualität. Die Tro- ckenluft durch strömt das Granulat von unten nach oben und wird danach mittels Trocknungsmittel entfeuchtet.

Je nach Anforderungen an die Trock- nungsqualität bzw. die Energieeffizienz ermöglicht der Trockner die Verwendung des Segment-Trockenrad-Betriebs oder des Turm-Betriebs. Im Rad-Betrieb dreht sich das in 36 Kammern gegliederte Tro- ckenrad mit konstanter Geschwindigkeit von ca. eine Umdrehung in der Stunde.

Dabei strömt die Rückluft aus dem Trock- nersilo durch die Kammern und wird durch das darin enthaltene Trocknungs- mittel entfeuchtet. Bei dieser Betriebsart sind die meisten Kammern in den Trock- nungsprozess involviert und nur wenige Kammern in der Regenerationszone, in der das Trocknungsmittel aufbereitet wird. Ein Teil der Regenerationsluft strömt aus der Prozessheizung, wodurch aufgrund der Vortemperierung eine höhere Wasseraufnahmekapazität gegeben ist.

Im Turm-Betrieb dreht sich das Trock- nungsrad nicht kontinuierlich, sondern wird nach einer gewissen Zeit um mehre- re Segmente weiter gedreht.

Ein großer Vorteil der Trocknung tem- peraturempfindlicher WPCs gegen-

»

Trocknungszeit 5,0

% 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

70

°C 50 40 30 20 10 0 0

Wassergehalt des Holz-PVC-Granulats Rücklufttemperatur

100 200 300 400 500 min 600

110°C-Karl Fischer 80 °C-Karl Fischer 110°C-HS 153 80 °C-HS 153

110 °C-Rücklufttemperatur 80 °C-Rücklufttemperatur

Bild 6. Wassergehalte der Granulate in Abhängigkeit von Zeit und Trocknungstemperatur sowie zugehöriger Rückluft-Temperaturen (Bild: E. Sykacek/ BOKU Wien)

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über puren Kunststoffen ist die im System integrierte Materialschutzfunktion. Das Schutzprinzip basiert auf dem Energie- verbrauch einer aktiven Trocknung. Die Temperatur der aus dem Trockensilo zu- rückströmenden Luft wird kontinuierlich gemessen. Sobald das Granulat trocken ist bzw. keine Energie mehr aufnimmt steigt die Rückluft-Temperatur an. Bei Überschreiten des eingestellten Schwel- lenwerts wird die Trocknungstemperatur im Silo abgesenkt und so die thermische Schädigung des Granulats verhindert.

Temperaturempfindlichkeit von Holz und PVC

Eine geringe thermische Zersetzung von Holz ist bereits nach längerem Erwärmen auf 80–100°C zu beobachten. Jedoch setzt erst oberhalb von 180°C ein stärke- rer Abbau ein. Von den Holzkomponen- ten weisen die Hemicellulosen die nied- rigste Temperaturbeständigkeit auf. Ein großer Teil wird bei Temperaturen von 200°C schnell abgebaut. Der maximale Abbau von Cellulose findet bei Tempera- turen um 280°C statt. Die thermische Zer- setzung von Lignin läuft in mehreren Stu- fen zwischen Temperaturen von 240°C und 260°C ab [5].

Während des thermischen Abbaus von PVC bilden sich verschiedene Abbau- produkte wie beispielsweise Salzsäure.

Der Hauptanteil von PVC wird bei Tempe- raturen zwischen 245 und 370°C abgebaut

[8]. Um jegliches technisches Risiko auszu- schließen, wurde an dem 50 % Holz-PVC- Verbund mit dem Analysegerät TG209F1 der Netzsch Gerätebau GmbH, Selb, eine thermogravimetrische Analyse (TGA) durchgeführt.

Der thermisch bedingte Masseverlust des Holz-PVC-Compounds ist in Bild 5 dargestellt. Bei Temperaturen bis 180°C ist ein Masseverlust von 2,5 % feststellbar, der in etwa dem Wassergehalt der Probe ent- spricht. Bei Temperaturen unterhalb 300°C sind über 30 % der Probe degradiert, wobei die höchste Abbaurate bei 280°C liegt. Dieser Masseverlust dürfte in erster Linie auf den Abbau der Holzkom- ponente zurückzuführen sein. Oberhalb 340°C verläuft der thermische Abbau wesentlich langsamer. Bei 360°C beträgt der Gesamtverlust etwas über 55 %. Erst bei Temperaturen von 600°C ist die Probe bis auf eine Restmasse von 5,6 % degradiert.

Somit liegt eine Trocknungstemperatur von 130°C weit unter den thermischen Abbautemperaturen des getesteten Holz- PVC-Compounds.

Erstellung von Trocknungskurven

Für die Optimierung des Extrusionsprozes- ses hinsichtlich Produktqualität, Durchsatz und Energiekosten ist die Erstellung von materialabhängigen Trocknungskurven notwendig.

Dafür wurde der Trockner mit feuchten Holz-PVC-Granulaten gefüllt und auf

feuchte Luft

80°C - trockene Luft 0,33/0,37% H2O

0,15% H2O 0,14/0,25% H2O

0,15% H₂O 0,10/0,08% H2O

0,011% H2O 0,08/0,03% H2O

0,06% H2O

Granulat-Füllmenge Trocken-

Patrone 155

140 120 100 80 60 40 20 kg feuchte Luft

110°C - trockene Luft 0,36/0,30% H2O

0,13% H2O 0,11/0,04% H2O

0,07% H₂O 0,12/0,01% H2O

0,006% H2O 0,04/0,00% H2O

0,05% H2O

Granulat-Füllmenge Trocken-

Patrone 157

140 120 100 80 60 40 20 kg

Bild 7. Trocknungsgefälle nach 6-stündiger Trocknung bei 110°C (links) und nach 8-stündiger Trocknung bei 80 °C (die chemisch durchgeführten Kontrollmessungen sind blau markiert)

(Bild: E. Sykacek/ BOKU Wien)

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Trocknungstemperaturen von 80°C bzw.

110°C eingestellt. Im Halb-Stunden-Takt wurden am unteren Teil des Trockners Proben für die Bestimmung des Wasser- gehalts gezogen. Die Proben wurden mit dem Moisture Analyzer HS 153 der Mettler Toledo AG, Nänikon/ Schweiz, in Doppel- bestimmungen analysiert. Zusätzlich wurden diese Ergebnisse punktuell auf che- mischen Weg überprüft. Hierbei wurde den Proben das Wasser in einer über 14-tägigen Lagerung in wasserfreiem Methanol extrahiert. Anschließend wurde der Wassergehalt anhand des gewon- nen Extrakts in einem Aliquot nach Karl-Fischer bestimmt. Bei dieser Tit- ration wird in Anwesenheit von Wasser Schwefeldioxid durch Jod zu Schwefelsäure oxidiert und gleich- zeitig Jod zu Jodwasserstoff reduziert. Der Endpunkt wird elektrome- trisch bestimmt. Der untere Bestim- mungspunkt liegt bei 50–100ppm.

Circa 2h nach Erreichen eines Was- sergehalts von unter 0,1% wurde der Trockner abgedreht und das vor- liegende Feuchtegefälle in jeweils 20kg-Schichten bestimmt.

Die Ergebnisse der Trocknungs- tests sind in Bild6 dargestellt. Eine Trocknungszeit von nur zwei Stun- den bei 110°C reduziert den Wasser- gehalt des Granulats in der untersten Trocknungsebene von über 3,5 % auf unter 0,5 %. Nach vier Stun- den ist das Material auf unter 0,1 % getrocknet. Ab einer Trocknungszeit von 4,5 h ergeben alle chemisch bestimmten Kontrollpunkte einen Wassergehalt von 0 %. Bei Verwen- dung der um 30°C niedrigeren Trocknungstemperatur ist das Gra- nulat nach 3,5h von einem Wasser- gehalt von 4,4 % auf unter 0,5 % he- runtergetrocknet. Die Erreichung eines Granulatwassergehalts unter 0,1 % bei einer Trocknungstempera- tur von 80°C dauert mit einer Trock- nungszeit von 8h fast zweimal so lange wie bei der höheren Trock- nungstemperatur.

Die Implementierung des Dry- max Aton2 F120 in der kontinuierlichen WPC-Einschneckenextrusion setzt die Kenntnis des Wassergehalts im gesamten Trocknersilo voraus. In

Bild7 sind die vorliegenden Feuchte- gefälle nach einer 6-stündigen Trock- nerlaufzeit bei 110°C (links) und die

nach einer 8,5-stündigen Trocknung bei 80°C (rechts) veranschaulicht. Erneut liegen die genaueren, chemisch bestimmten Kontrollmessungen etwas unter den Messwerten des Mettler Toledo Moisture Analyzer. Laut den Messwerten stehen nach einer Trocknungszeit von 6 h bei 110°C 140kg trockene Granulate mit einem maximalen Wassergehalt von ca. 0,1 % zur Verfügung. Auch bei der Trocknungstem- peratur von 80°C liegt nach einer Trock-

nungszeit von 8 Stunden ein relativ gerin- ges Feuchtegefälle vor. Die untersten 80kg im Trockensilo weisen Wassergehälter unter 0,1 % auf. Die Implementierung des Dry- max Aton2 F120 ermöglicht in der Einschnecken-WPC-Extrusion bei Verwen- dung von 110°C Trocknungstemperaturen die Herstellung hochqualitativer Profile mit Durchsätzen weit über 23 kg/h. Trock- nungstemperaturen von 80°C erlauben einen Mindestdurchsatz von über 10kg/h. W